Brevet FR2339145A1 — publié le 19770819

La présente invention concerne une machine thermodynamique de refroidissement de gaz en circuit ouvert. Les installations classiques de conditionnement d'air utilisent souvent le '1frelon" comme fluide de travail. Les principaux éléments de ces installations sont un compresseur de "Freon", un échangeur de chaleur à basse température, un échangeur de chaleur à température élevée, une soupape de détente et un ou deux ventilateurs qui assurent une circulation forcée dlair dans les échangeurs de chaleur. La température de 1'échangeur à basse température ne tombe pas en général au-dessous de 2730K afin que lteau condensée ne se solidifie pas et que les rendements de transformation ne soient pas mauvais. De telles installations, ctest-à- dire utilisant un fluide intermédiaire de travail tel que le 'rFreon", sont souvent considérées comme des installations en circuit "fermé". Les cycles de refroidissement thermodynamique comprennent une compression et une détente du fluide de travail et la détente d'un fluide comprimé, de préférence adiabatiquement, permet l1obtention de températures inférieures à la température ambiante.Lorsque de l'air doit entre refroidi, il est transmis au niveau du fluide de travail lorsque celui-ci se détend si bien que le fluide de travail prélève de la chaleur. Lorsque l'air qui doit wetre refroidi constitue le fluide de travail, l'installation fonctionne en circuit ouvert. Les installations connues fonctionnant en circuit ouvert ont présenté de nombreuses difficultés auxquelles l'invention remédie. Dans les installations classiques fonctionnant en circuit ouvert, de l'air amblant neuf est comprimé et la charge de compression est retirée dans des échangeurs de chaleur de récupération. L'opération est suivie par la détente et l'obtention de basses températures. Les problèmes posés concernent l'obtention dtun rendement convenable, et la réalisation dtinstallationsayant un poids et un volume faibles, de la mweme manière que les installations utilisant le "Freon" ou un autre gaz en circuit fermé. L'invention concerne donc un dispositif ne présentant pas ces inconvénients par utili sation d'un dispositif interne fixe de stockage thermique dans une installation de conditionnement d'air en circuit ouvert. On sait déjà utiliser des récupérateurs dans une installation fonctionnant en circuit fermé. Cependant, dans ces installations, les récupérateurs sont normalement utilisés dans des conditions de circulation équilibrée (circulation égale dans les deux sens) lorsque le fonctionnement doit être efficace. Selon l'invention, on~obtient des conditions de circulation équilibrée par commande drune soupape afin qu'unie quantité fixe d'air neuf retire automatiquement et alternativement la chaleur de compression et le froid produit, conservé dans le dispositif de stockage thermique. La commande de soupape est effectuée à une fréquence égale à la moitié de celle de la variation alternative de volume. Bien que le dispositif de stockage thermique selon l'invention soit petit, il présente néanmoins un excellent transfert de chaleur pour de faibles différences de températures. L'invention concerne ainsi un dispositif de conditionnement d'air en circuit ouvert qui est peu encombrant et a un rendement élevé. Un tel dispositif de conditionnement d'air fonctionne à une pression réduite. Etant donné le gradient de température existant dans le dispositif de stockage thermique9 il n'est pas nécessaire que la pression du fluide de travail dépasse 1,05 bar environ. Les dispositifs connus nécessitent souvent au moins 2,8 bars pour l'obten- tion de températures convenables de refroidissement. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une perspective schématique avec des parties arrachées illustrant le fonctionnement d'une installation selon l'invention - les figures 2A, 2B et 2C représentent graphiquement des variations de volume et de pression en fonction de la position du vilebrequin-; - la figure 3 est un diagramme théorique pression volume de l'espace de détente ; et - la figure 4 est un diagramme théorique pressionvolume de l'espace de compression. La machine selon l'invention porte la référence générale 10 sur les dessins. Un premier cylindre et un second cylindre 12, 14 permettent le coulissement de pistons 16 et 18 qu'ils logent. Le piston 16 est commandé par une bielle 20 entraînée par un manneton 22 d'un vilebrequin rotatif 24. Le vilebrequin est monté dans des paliers 30 et il est entratné par un moteur convenable 31. Le piston 18 est commandé par une bielle 26 entratnée par un manneton 28 du vilebrequin 24. Un premier espace 62 de compression à volume variable est délimité par le cylindre et le piston alternatif 16. Un second espace 64 de détente à volume variable est délimité de manière analogue par le cylindre 14 et le piston 18. L'espace 62 de compression communique avec l'espace 64 de détente par un conduit 66. Un dispositif 68 de stockage thermique est placé le long du conduit 66. Le dispositif de stockage thermique est d'un type qui oppose une faible résistance au passage du gaz. Ce dispositif 68 de stockage thermique peut wetre formé de toile métallique enplusieurs couches ou de laine d'acier relativement dense. Etant donné les conditions d'humidité et de condensation, la substance formant le dispositif de stockage thermique ne doit pas pouvoir rouiller. Le dispositif de stockage thermique est logé dans un bottier 69. Les tronçons de conduit de part et d'autre du bottier portent les références 66a et 66b. L'espace 62 de compression communique avec un conduit 38 d'air neuf par une soupape 34 d'entrée qui peut ou vrir et fermer une lumière 46. L'espace 62 communique aussi avec un conduit 56 d'évacuation d'air chaud par un conduit 52 qui peut titre ouvert et fermé par une soupape 48 de sortie. L'espace 64 de détente communique avec l'air ambiant par le conduit 40 et la lumière 44. Cette dernière est ouverte et fermée par une soupape 36. L'espace 64 communique avec un conduit 58 d'air froid par une sortie 54 sous la commande d'une soupape 50. Les soupapes 50, 36, 42 et 48 sont commandées par des cames 43, 45, 47 et 49 montées sur un arbre à came 32. Celui-ci est porté par des paliers 33. L'arbre à came est entratné par le vilebrequin 24 par l'intermédiaire d'un dispositif 60 à courroie crantée et pignons sans glissement. Ce dispositif 60 de transmission a un rapport de réduction de vitesse 2/1 assurant la synchronisation convenable. Evidemment, la configuration et la fixation des cames sur l'arbre assure l'ouverture et la fermeture des soupapes comme décrit dans le présent mémoire. Un cycle unique comprend deux tours du vilebrequin. Les pistons 16 et 18 sont déphasés dSun angle de rotation correspondant à l'écart angulaire des mannetons 22 et 24. L'angle de déphasage peut avoir une valeur quelconque entre O et 1800, bien que les valeurs les plus avantageuses soient comprises entre 90 et 1200. L'écart représenté sur la figure 1 est égal à 900. On considère maintenant le fonctionnement dans le cas où le fluide de travail qui est 11 air, est un gaz idéal. Il s'agit d'une bonne approximation pour de l'air à basse pression à une température supérieure à 2700K. Pour les gaz idéaux, p * V = m * R * T, p représentant la pression et V le volume, m étant la masse totale du gaz et R la constante des gaz alors que T représente la température absolue du gaz. En d'autres termes, le produit de la pression par le volume d'une certaine quantité de gaz est égal à sa masse totale m multipliée par la constante R des gaz et par la température absolue T. Dans le cas d'une installation en circuit fermé comprenant un certain nombre de volumes reliés ayant chacun une température différente, on obtient la relation -: V1 V2 T3 ) ( ...) m1 + m3 + ...) * R =constante T1 T2 T3 (eq 1) 1 2 T3 (eq î) Lorsque chaque volume partiel Vx est réduit par multiplication de la valeur du volume par le facteur de température Ta/TX, Tx représentant la température moyenne dans le volume et Ta la température de l'air ambiant pris en référence, on peut établir que la pression du gaz dans l'installation, multipliée par la somme de tous les volumes réduits, est constante, c'est-à-dire Ta Ta * T Ta P (V1 T1 + V2 * T2 + V3 * T) + ...) = constante (eq. 2) T1 T2 3 T + 3 La figure 2A représente la variation des volumes réduits en fonction de la position du vilebrequin dans une machine dans laquelle la différence de phases pour la variation des volumes est égale à 900. La figure 2C représente la variation de la somme de tous les volumes réduits dans l'installation, en fonction de la position du vilebrequin. La figure 2C représente la variation de la pression. La position du vilebrequin est considérée comme 0 lorsque le volume 64 de l'espace de détente atteint sa valeur maximale et la soupape 34 est ouverte. Pour simplifier la description, on a représenté sur les figures 2A à 2C, 10 intervalles I à X pour la division de la période au cours de deux tours du vilebrequin. Pendant l'intervalle I, seule la soupape 34 est ouverte et de ltair neuf est aspiré dans espace 62 à la pression atmosphérique alors que la somme des volumes réduits augmente. Pendant l'intervalle II, seule la soupape 50 est ouverte et l'air à faible température de l'espace de détente est libéré à la pression atmosphérique, la somme des volumes réduits diminuant. Pendant les intervalles III, IV et V, toutes les soupapes sont fermées et l'équation n02 stapplique. La pression du système augmente et diminue en fonction inverse de la somme des volumes réduits comme indiqué sur la figure 2C. Pendant l'intervalle III, l'air est compris dans l'espace 62. Pendant l'intervalle IV, l'air chaud est transmis par le conduit 66b de l'espace de compression à l'espa- ce 64 de détente, et passe dans le dispositif 68 de stockage de chaleur dans lequel la plus grande partie de la chaleur de compression est conservée temporairement. Pendant l'intervalle V, l'air déjà relativement froid se déter1d dans l'espace 64 si bien que la température est encore réduite. Pendant l'intervalle VI, la soupape 36 d'entrée de l'espace de détente est ouverte et de l'air neuf est aspiré dans l'es- pace 64 et est. transmis en grande partie dans l'espace 62 par l'intermédiaire du dispositif 68 de stockage thermique, si bien que la chaleur de compression qui avait été stockée temporairement est retirée. Pendant ltintervalle VII, la soupape 48 est ouverte et l'air à la température élevée de espace de compression est chassé. Pendant les intervalles VIII, IX et X, toutes les soupapes sont fermées et il apparatt une compression, un transfert et une détente comme dans les intervalles III, IV et V. Comme la plus grande partie du travail de détente a lieu dans l'espace 64 et la plus grande partie du travail de compression dans l'espace 62, la température moyenne dans l'espace de détente est inférieure à la température de l'air neuf entrant dans la machine, et la. température moyenne dans espace de compression est supérieure à la température de l'air neuf. Lorsque la pression dans la machine est portée en fonction de la variation de volume de l'espace de détente et de la variation de volume de espace de compression, comme représenté sur la figure 2C, on obtient les résultats des diagrammes des figures 3 et 4. Pendant chaque cycle, ces diagrammes sont parcourus deux fois. La zone hachurée de la figure 3 représente le travail de détente réalisé par le piston 18 ou la chaleur retirée pendant un cycle. Si les pertes par conduction et les pertes de récupération dans le dispositif de stockage thermique étaient nulles, le travail de détente réalisé représenterait entièrement une baisse de température entre l'air d'entrée et l1air de sortie dans 1-1 espace de détente. Dans le cas de l'air humide cependant, une partie de cette production froide indiquée est perdue, lorsque liteau se condense et libère de la chaleur du caté de détente du dispositif de stockage thermique. En conséquence, la quantité de chaleur retirée de l'air à refroidir est plus faible qu'indiqué. La zone hachurée de la figure 4 représente le tra vail de compression réalisé par le piston 16 en un seul cycle. En l'absence de pertes de conduction et de pertes de récupération dans le dispositif de stockage thermique, ce travail apparattrait entièrement sous forme d'une augmentation de la température entre 1-' air d'entrée et l'air de sortie de ltespace de compression. En l'absence de tout phénomène irréversible au cours du cycle, le rendement serait égal au rendement bien connu de Carnot, déterminé par les températures des espaces de détente et de compression. Comme une circulation déséquilibrée daxsle dispositif de stockage thermique fait toujours apparattre de nombreuses causes d'irréversibilité, le cas idéal très efficace est approché pour le mieux dans les conditions permanentes équilibrées obtenues selon l'invention,par commande des soupapes en fonction de la variation du volume dans la machine et non pas en fonction des différences de pressions et des réductions des débits. Lorsqu'on choisit un temps prolongé dé fermeture des soupapes par réduction du temps de commande de celles-ci, la production de froid augmente et le débit d'air transmis diminue. En conséquence, la différence de températures entre l'air d'entrée et l'air de sortie est plus grande. Une production importante de froid par unité de volume balayé nécessite des faibles débits d'air et une grande différence de températures entre entrée et la sortie. Cependant, les valeurs sont limitées par le fait que la température de l'air évacué ne doit pas tomber en-dessous de la température de congélation de l'eau. Les systèmes réalisés selon l'invention donnent des différences de températures de 15 à 250K, avec une production spécifique de froid très favorable ; le temps de fermeture de toutes les soupapes est dans ce cas proche de la moitié de la durée du cycle. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1. Machine thermodynamique fonctionnant en circuit ouvert, destinée à prélever l'air ambiant et à retirer de la chaleur d'une partie de cet air tout en ajoutant de la chaleur au reste de cet air, afin que la machine transmette de l'air relativement froid et de l'air relativement chaud, ladite machine étant caractérisée en ce qu'elfe comprend un premier cylindre et un premier piston se déplaçant alternativement dans le premier cylindre et formant une première chambre de volume variable, un second cylindre dans lequel un second piston se déplace alternativement en formait une seconde chambre de volume variable, un premier conduit faisant communiquer les deux chambres, un dispositif de stockage de chaleur placé le long dudit conduit, un dispositif moteur destiné à déplacer alternativement les pistons afin qu'ils soient déphasés l'un par rapport à ltautre, un premier conduit d'admission d'air communiquant avec la première chambre par une première lumière, un second conduit d'admission d'air communiquant avec la seconde chambre par une seconde lumière, tin conduit de sortie d'air chaud communiquant avec la première chambre pàr une troisième lumière, un conduit de sortie d'air froid communiquant avec la seconde chambre par une quatrième lumière, quatre soupapes destinées à ouvrir et fermer les quatre lumières, et un dispositif de synchronisation provoquant l'ouverture et la fermeture séquentielles des soupapes afin que l'air comprimé et chauffé dans la première chambre passe dans le dispositif de stockage de chaleur dans lequel une partie de la chaleur est conservée, puis dans une seconde chambre qui augmente de volume, cet air relativement froid étant évacué par le conduit de sortie d'air froid, le dispositif de synchronisation ouvrant et fermant successivement les soupapes afin que de l'air neuf se méiange à l'air détendu relativement froid de la seconde chambre et passe dans le dispositif de stockage de chaleur vers la première chambre en retirant la chaleur de compression conservée dans le dispositif de stockage, puis dans la première chambre et vers l'é- chappement si bien que de l'air relativement chaud est évacué par le conduit de sortie d'air chaud. 2. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que la matière contenue par le dispositif de stockage thermique comprend plusieurs couches de toile métallique. 3. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif de stockage thermique est en laine d'acier. 4. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le déphasage entre les pistons alternatifs est compris entre 90 et 1200. 5. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif de stockage de chaleur permet la circulation pratiquement libre de l'air entre les deux chambres, et ne réduit pas notablement la communication entre les cham brefs, 6. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que le dispositif de synchronisation comprend des cames pour chacune des quatre soupapes. 7. Machine selon la revendication 6, caractérisée en ce que le dispositif moteur comprend un vilebrequin mené, et les cames sont montées sur un arbre à cames, une transmission associant le vilebrequin à l'arbre à cames afin que le vilebrequin tourne avec une vitesse égale au double de celle de l'arbre à cames. 8. Procédé de préparation d'air froid et d'air tiède à partir d'air à température ambiante, caractérisé en ce qu'il comprend la compression et le chauffage d'une partie de l'air et simultanément la transmission de cette partie dtair dans un dispositif de stockage thermique dans un premier sens afin qu'une partie de la chaleur soit retirée et stockée dans ce dispositif, la détente de cette partie d'air afin qu'elle se refroidisse et sa transmission à un emplacement d'utilisation, et la circulation d'air ambiant dans le dispositif de stockage thermique, en sens opposé au premier sens, en quantité suffisante pour que la chaleur en soit retirée. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la détente s'effectue dans une chambre de détente. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la quantité d'air ambiant circulant dans le dispositif de stockage de chaleur en sens inverse suffit à l t évaporation et au retrait de l'eau qu'elle peut contenir.