Brevet FR2420103A1 — publié le 19791012

L'invention a pour objet une installation de production de calories et/ou de frigories utilisant l'énergie mécanique (cinétique et/ou potentielle) et éventuellement l'énergie thermique d'une eau disponible sur un site, oete installation étant plus particulièrement adaptée à 1' utili- sation d'une manière intéressante d'un point de vue économique de chutes d'eau. Plus précisément, l'invention concerne me installation de production de calories et/ou frigories du type comportant un circuit fermé de fluide frigorigène comportant successivement selon le sens de circulation de ce dernier un évaporateur, un compresseur, un condenseur et un système de de tente. On rappelle qu'un tel circuit fonctionnant selon un cycle thermodynamique à compression est habituellement qualifié de pompe à valeur lorsque la partie utilisée du circuit est celle qui est susceptible de céder des calories S un milieu auxiliaire. Les installations du type précité conçues antérieu- rement à la présente invention ont l'inconvénient de nécessiter l'utilisation d'une source d'énergie électrique. La présente invention a précisément pour objet une installation de production de calories et/ou de frigories ayant notamment l'avantage d'utiliser l'énergie mecanique d'cau ainsi que de préférence, leur énergie thermique. L'installation selon I1 invention du type comportant un circuit fermé de fluide frigorigène comprenant successivement selon le sens de circulation du fluide un évaporateur, un compresseur1 un condenseur et un système de détente, se caractérise en ce qu'elle comporte une turbine hydraulique alimentée par ladite eau et accouplée au compresseur dudit circuit. L'installation telle que caractérisée ci-desslis, tire avantageusement profit de l'association d'un circuit du type précité de fluide frigorigène et d'une turbine hydraulique pour la commande du oempresseur dudit circuit - En effet, elle permet d' atteindre à faible COLt une puissance de production d'énergie calorifique et/pu frigorifique satisfaisante tout en étant -dtune réalisation sLmEle et fiable et non polluante D'autre part, l'installation selon l'invention a l'avantage de pouvoir etre adaptée selon le choix de ses différents constituants à rn grand nombre de chutes doleau en permettant une utilisation économIquement avantageuse de chutes d'eau aménagées mais actuellement abandonnées, Selon une disposition préférentielle de l'invention, l'installation se caractérise en ce que l'évaporateur est constitué par un échangeur indirect de chaleur entre ladite eau et ledit fluide frigorigène. Ainsi, cette disposition a l'avantage de permettre d'assurer la production de calories C- rZOU de frigories en utilisant non seulement l'encrgie rffcan1que d'une eau disponible sur un site donné, -mais également son énergie thermique. Lorsqu'une installation selon l'invention présentant la disposition précitée est utilisée pour la production de frigories, 11 évaporateur est de préférence constitué par un premier échangeur indirect de chaleur entre ledit fluide frl- morigène et ladite eau et rn deuxième échangeur indirect de chaleur entre ledit fluide frigorigène et un fluide auxiliaire source de frigories. Selon une autre disposition de l'invention, chacun desdits fluides auxiliaires source de calories ou de frigories est avantageusement mis en circulation dans un circuit de récupération de l'énergie calorifique ou frigorique produite par au moins une pompe accouplée à ladite turbine hydraulique. Par ailleurs, selon l'invention, la turbine hydraulique peut être accouplée au compresseur du circuit par l'intermédiaire d'un multiplicateur ou d'un réducteur de vitesse. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement au regard de la description qui suit d'un exemple de réalisation de l'installation selon l'invention utilisant pour la production de-calories et/ou de frigories l'énergie necanique et thermique d'une chute d'eau. Cette description sera faite au regard des figures schématiques annexées 1 et 2, sur lesquelles on a représenté : - sur la figure 1, une vue schématique d'ensemble de l'installation selon l'invention, la partie en traits mixtes de la figure 1 correspondant à une adaptation de l'installation en traits pleins en vue d'une production non seulement de calories mais également de frigories ; - sur la figue 2, m mode de réalisation de l'ins- tallation schématisée sur la figure 1. On voit sur la figure 1 que l'installation de l'inven tion se compose essent:.ellement d'une pompe à chaleur I et d'un ensemble de commande II du compresseur de cette dernière Plus précisément, la pompe à dhaleur I est constituée par un circuit fermé de fluIde frigorigène comportant successivement selon le sens de circulation du fluide symbolisé par la flèche F - un évaporateur 1 parcouru d'urne part, par ledit fluide frigo rigène et d'autre part1 par un fluide qui, destiné à fournir les calories nécessaires à l'évaporation du fluide frigories gène, est constitué selon l'une des caractéristiques de l'in- invention par une fraction du débit d'eau d'une chute canalisée dans une conduite 2. Bien entendu, la totalité du débit d'eau de ladite chute pourrait être utilisée dans ltdvaporateur l, - un compresseur 3 du fluide frigorigène évaporé, - un condenseur 5 parcouru d'une part par le fluide frigori gène et d'autre part1 par 'n fluide destiné à récupérer les calories de condensation, ce fluide étant mis en circulation dans un circuit ouvert 4 au moyen d'une pompe 6, - un système de détente 7 relié à l'évaporateur 1. D'autre part, selon la caractéristique essentielle de l'invention, l'ensemble de comnande précité II du compresseur 3 se compose essentiellement d'une turbine 9 d'un type connu en soi qui, alimentée par l'eau de la chute canalisée dans la conduite 2, est accouplée au compresseur 3 de la pompe à chaleur I, soit directement, soit comme représenté sur la figure par l'intermédiaire d'un multiplicateur ou un réducteur de vitesse 11. On peut noter que ladite pompe 6 de mise en circulation du fluide du circuit 4 peut etre avantageusement commandée par la turbine hydraulique 9. A cet- effet, elle peut-etre accouplée à la turbine, comme représenté sur la figure 1 par l'intermédiaire du compresseur 3. Ainsi, l'installation représentée en traits pleins sur la figure 1 assure la production de calories à partir de l'énergie mécanique et thermique de l'écoulement d'eau dans la conduite 2, les calories produites dans la pompe à chaleur I au niveau de son condenseur 5 étant récupérées par le circuit 4. On précise que l'åpport de chaleur cont bénéficie le fluide circuit 4 au niveau du condenseur 5 correspond a' la chaleur recueillie par le fluide frigorigène dans 11 évaporateur 1 plus celle qui équivaut au travail de compression. Bien entendu, l'installation de l'invention peut assurer simultanément la production de calories et la production de frigories. A cet t effet, comme on le soit en traits mixtes sur la figure 1, la pompe à chaleur I est en outre pourvue en amont de l'evaporateur 1 d' un échangeur de chaleur 13 parcouru par le fluide frigorigène de la pompe I et un fluide auxiliaire mis en circulation dans un circuit ouvert 8 au moyen d'une pompe 10, omette dernière pouvant avantageusement etre accouplée à ladite turbine 9. Sur la figure 2, on a représenté un mode particulier de réalisation de l'installation schématisée en traits pleins sur la figure 1, dont les constituants conserveront sur cette figure, leurs références de la figure 1. Selon oe mode de réalisation, -l'évaporateur 1 de la pompe à chaleur I et la turbine hydraulique 9 sont associés autour d'une conduite 17 de section annulaire raccordée à la conduite 2. Ainsi, la conduite 17 comporte des aubages fixes 9f qui, répartis radialement autour de son axe, sont destinés à assurer me distribution appropriée de l'eau sur les aubages mobiles 9m de la turbine 9. D'autre part, deux viroles concentriques 19 et 21 rendues solidaires de la conduite 17 sont respectivement destinées à délimiter avec omette dernière une chambre annulaire 20 de distribution dans les aubages fixes 9f du fluide frigorigène de la pompe à chaleur I à sa sortie du système de détente 7 et une chambre 22 de collection dudit fluide frigorigène à sa sortie desdits aubages fixes 9f dont les parois constituent une surface d'échange de chaleur entre ledit fluide frigorigène et l'eau de la conduite 17. Par ailleurs, -on voit sur la figure 2 que les aubages mobiles 9m de la turbine 9 sont montés sur un arbre 9a accouplé par un renvoi d'angle 23 à l'arbre 3a du compresseur 3 monté dans une traversée 25 prévue dans un aubage fixe 9f. D'autre part, on note que la pompe 6 du circuit 4 est entratnée par l'arbre 9a de la turbine 9 par l'interme- diaire dl compresseur 3. EXEMPLE L'exemple décrit concerne l'utilisation d'une chute d'eau dont les caractéristiques sont les suivantes - débit 1 m3/s ; - 3 m de hauteur de chute , - Température de l'eau 6 C ; - Température du circuit chaud 50oC. 1) - PUISSANCE DISPONIBLE La puissance en Watts d'une-chute d'eau pour un débit Q en m3/s et de hauteur h est P = Q # h #, formule dans laquelle - # est le produit pg (poids volumique de l'eau), p étant la masse volumique à la température ambiante et g l'a c- célération de la pesanteur au lieu considéré ; - # est le rendement de la turbine voisin de 0,95. Dans l'exemple donné, la puissance est donc : P = 1 x 1000 x 9,81 x 3 x 0,95 = 27958 W, soit 27,9 kw. Si on estime à 0,9 Kw la puissance absorbée par la pompe de circulation du circuit chaud, il reste 27 KW disponibles pour actionner le compresseur. 2) - EFFICACITE DU SYSTEME DE LA POMPE A CHOEUR On considère que le système fonctionne suivant le cycle de Carnot entre deux températures T1 et T2 W étant l'énergie mécanique disponible, QF la quantité de chaleur prise à la source froide, oe la quantité de chaleur apportée au circuit chaud, on a Q = QF + W Si AT est la différence de température entre la source froide et le circuit chaud, #T W = TC QC d'ou TC QC = #T W le rapport AT est toujours supérieur à 1, il représente le coefficient d'efficacité de la pompe à chaleur donc, coef TC ficient E = AT Dans l'exemple décrit 273 + 50 323 E = 50 - 6 44 = 7,34 Le rendement global d'une pompe à chaleur de taille moyenne étant voisin de 0,7, E = 7,34 x 0,7 = 5,13 l'énergie calorifique ainsi disponible sur le circuit chaud est donc 27 x 5,13 = 138,5 KW + 27 KW mécaniques 138 + 27 = 165 KW soit en 1 heure 165 KWh ou en thermies disponibles, 143 Th. Si l'on admet un AT de 150C sur le circuit chaud, on dispose avec le système décrit ci-dessus d'un débit d'eau chaude a 50 C de 143 = 9533 l/h 15 3) - ABAISSEMENT DE LA TEMPERATURE DE LA SOURCE FROIDE Il passe dans l'évaporateur 3600 m3/h, le refroi 1 x 143 dissement de l'eau est 3600 = 0,039 C. EEVENDiCATIONS 1. Installaticn de production de calories et/ou frigories à partir de 1 énergie mécanique et éventuellement de énergie thermique dt eau, du type comportant un circuit fermé de fluide frigor-'gène comprenant successivement selon le sens de circulation du fluide un évaporatelir, un compresseur, un condenseur et un système de détente, caractérisée en ce qu'elle comporte me turbine hydraulique alimentée par ladite eau et accouplée au compresseur dudit circuit. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que ldvaporateur est constitué par un echanLgeur indirect de chaleur entre ladite eau et ledit fluide frigorigène. 3. Installation selon la revendication 1, caractéri- sée en ce que l'évaporateur est constitué par un premier echangeur indirect de chaleur entre ledit fluide frigorigène et ladite eau et un deuxième échangeur indirect de chaleur entre ledit fluide frigorigène et un fluide auxiliaire source de frigories. 4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce quelle cnmporte une pompe de mise en circulation dudit fluide auxiliaire accouplée à ladite turbine hydraulique. 5. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le condenseur est constitué par un échangeur indirect de chaleur entre ledit fluide frigorigène et un fluide auxiliaire source de calories, 6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce qu'elle comporte me pompe de mise en circulation dudit fluide auxiliaire accouplée à ladite turbine hydraulique. 7. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que ladite turbine est accouplée audit compresseur par l'intermédiaire d'un multiplicateur de vitesse. 8. Installation selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6, caractérisée en ce que ladite turbine est accouplée audit coxpresseur par. l'intermédiaire dtun réducteur de vitesse0