Brevet FR2429396A1 — publié le 19800118

L'invention concerne un générateur auts-moteur d'énergie thermique nu frigorifique et/ou électrique à partir -'une source calorifique. Il est connu de puiser de l'énergie dans une source calorique telle qu'une nappe d'eau souterraine ou autre, afin de la récupérer et éventuellement de la transformer, au moyen d'une pompe à chaleur. Souvent l'eau ou d'une manière générale le fluide de la source calorique est utilisée pour échanger des calories avec un fluide caloporteur au moyen d'un échangeur thermique, qui est ensuite comprimé à travers un compresseur, tandis qu'un autre échangeur permet de récupérer l'énergie thermique provenant dudit fluide comprimé. Le compresseur est généralement accouplé à un moteur électrique et constitue un groupe moto-compresseur hermétique électriqué. L'inconvénient d'un tel dispositif est l'apport extérieur d'énergie électrique nécessaire pour alimenter le compresseur. C'est pourquoi l'invention propose un générateur qui puise l'énergie nécessaire à son fonctionnement dans l'énergie meme qu'il produit, de manière telle qu'il est pratiquement autonome et indépendant de sources d'énergie extérieures telles que l'électricité ou des combustibles divers en dehors bien sûr de celle provenant de la source sus-mentionnée. L'invention concerne donc un générateur d'énergie auto-moteur à partir d'une source calorique comportant, un échangeur thermique dénommé ci-après échangeur de frigories entre ladite source et un fluide caloporteur, au moins uncompresseur destiné à élever la température dudit fluide par compression et un récupérateur d'énergie destiné à récupérer l'énergierthermique provenant du fluide comprimé, qui est remarquable en ce que le compresseur est actionné par au moins un moteur pneumatique dont le gaz moteur est mis sous pression dans un échangeur thermique dénommé ci-après échangeur de calories, aménagé de manière à effectuer un échange calorique direct ou non entre ledit gaz moteur et le fluide caloporteur comprimé qui se détend et éventuellement se liquéfie dans ledit échangeur. Une partie donc des calories fournies par une pompe à chaleur classique est prélevée pour mettre en pression un gaz qui actionne le moteur pneumatique entraînant ladite pompe. Il a été calculé qu'environ 1/3 des calories récupérées dans la source sont utilisées pour la force motrice, tandis que les 2/3 restant sont utilisables sous diverses formes. Il est ainsi possible de stocker l'énergie calorifiquedans un réservoir calorifugé destiné par exemple au chauffage de batiments par radiateurs d'eau chaude et/ou à la production d'eau sanitaire. Il est possible aussi, au moyen d'un échangeur eau-air, de réaliser un chauffage à air pulsé. Il est encore envisageable de transformer l'énergie calorifvique disponible en énergie électrique au moyen d'une génératrice accouplée au moteur pneumatique ou à un moteur pneumatique supplémentaire. La source calorique peut être quelconque, eau air etc., mais il est cependant préférable d'utiliser une nappe souterraine ou une rivière, la température de l'eau étant voisine de 13"C à deux mètres environ de profondeur. Avantageusement selon l'invention le gaz moteur basse pression en aval du moteur est détendu et liquéfié par condensation réfrigérée et injecté en circuit fermé dans l'échangeur de calories où ledit gaz, en phase liquide à l'entrée, se vaporise et s'élève en pression. L'injection du gaz moteur liquide dans l'échangeur de calories peut éventuellesent être effectuée par l'intermédiaire d'un dispositif de démarrage du générateur sous forme par exemple d'un moteur auxiliaire et/ou d'un réservoir dudit gaz liquide naini d'un moyen de chauffage extérieur. De préférence la détente et la liquéfaction du gaz moteur basse pression sont réalisées dans un échangeur dont l'agent d'échange est l'agent de la source. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention l'échangeur de frigories est à double échange et triple circulation de manière telle qu'il s'effectue un échange thermique entre, d'une part, l'agent de la source et le fluide caloporteur avant compression et, d'autre part, l'agent de la source et le gaz moteur basse pression. Dans ce cas l'échangeur de frigories comporte des tubulures d'échange plongées dans l'agent de la source et dans lesquelles circule le gaz moteur et des tubulures dans lesquelles circule l'agent de la source et entre lesquelles circule le fluide avant compression. Lorsque le récupérateur d'énergie comporte un réservoir de fluide de récupération chauffé, combiné avec un échangeur entre ledit fluide et le fluide caloporteur comprimé, l'échangeur de calories est avantageusement à double échange et triple circulation de manière telle qu'il s'effectue un échange thermique entre, d'une part, le fluide de récupération et le fluide caloporteur cospri é et, d'autre part, entre le fluide de récupération et le gaz moteur. Dans ce cas, comme précédemment ledit échangeur de calories comporte des tubulures d'échange plongées dans le fluide de récupération et dans lesquelles circule le gaz moteur et des tubulures dans lesquelles circule le fluide de récupération et entre lesquelles circule le fluide caloporteur comprimé. I1 est possible que les pompes de circulation des différents fluides soient actionnées en totalité ou en partie directement par le moteur pneumatique ou un moteur pneumatique supplémentaire et/ou par une énergie électrique provenant d'au moins une génératrice couplée avec ledit moteur et éventuellement stockée au préalable dans des batteries d'accumulateurs. Si le ou les compresseurs sont des moto-compresseurs hermétiques électriques, ceux-ci sontalimentés en énergie par au moins une génératrice couplée avec le ou les moteurs pneumatiques, par l'intermédiaire éventuellement de batteries électriques de stockage chargées par ladite génératrice. Un autre mode de réalisation de l'invention particulièrement compacte et avantageux est remarquable en-ce qu'il comporte une chambre de compression et une chambre moteur distinctes munies respectivement d'un compresseur et d'un moteur pneumatique accouplés entre-eux, au moyen par exemple d'un entraînement magnétique, le gaz moteur étant récupéré à l'état liquide dans la partie basse de la chambre moteur et injecté en circuit fermé dans la partie haute de celle-ci passant sous forme gazeuse haute pres i-n en traversant de manière étanche la partie basse de la chambre de compression qui constitue l'échangeur de calories entre directement ledit gaz moteur et le fluide caloporteur comprimé, ce dernier ainsi refroidi étant renvoyé dans la partie haute de la chambre de compression, au moyen, par exemple d'un injecteur détendeur, tandis que l'échangeur de détente et de liquéfaction du gaz moteur, d'une part, et ltéchangeur de frigories du fluide caloporteur avant compression, d'autre part, sont constitués au moyen d'une circulation étanche de l'agent de la source respectivement dans la partie basse de la chambre moteur et dans la la partie haute de la chambre de compression le moteur étant en outre accouplé à un récupérateur d'énergie, tel qu'une génératrice électrique par exemple. L'invention sera mieux comprise, et d'autres particularités apparaitront à la lecture de la description qui va suivre et qui se réfère au dessin annexé dans lequel - la figure 1 montre un schéma de principe selon l'invention - la figure 2 montre un premier mode de réalisation selon l'invention - la figure 3 montre un autre mode de réalisation. La figure 1 représente une réserve d'eau E, un réservoir de stockage de calories R, deux doubles échangeurs A et B, un moteur pneumatique M et un compresseur C. Les pompes P 1, P 2 et P 3 assurent la circulation des fluides tandis qu'un clapet anti-retour AR, un détendeur d et un circuit de démarrage CD sont prévus. Le principe est le suivant Le compresseur aspire un fluide caloporteur qui est détendu par d, provoquant un échange de calories de 3 A en 1 A. Après compression et échauffement du gaz vers 50 C environ il se produit un échange entre 1 B et 3 B. Environ 1/3 des calories fournies en 1 B est récupéré en 2 B. Du gaz liquide injecté par la pompe P 3 est élevé en pression au niveau d'échange 2 B et actionne le moteur pneumatique M, tandis que ledit gaz est détendu en 2 A et liquéfié par refroidissement au moyen de 1 A. Le circuit de démarrage CD est constitué par un réservoir chauffé au moyen d'une source de chaleur extérieure, tandis que le clapet AR assure is direction du gaz vers le moteur. Dès les premiers tours du moteur M, entrainant le compresseur C et éventuellement les pompes P 1, P 2 et P 3 le dispositif peut alors fonctionner seul. A la place ou en plus de ce circuit de démarrage il est aussi possible de prévoir un moteur auxiliaire couplé au moteur principal. La figure 2 montre un mode de réalisation selon l'invention qui fonctionne selon le principe décrit ci-avant. Ce mode de réalisation comporte donc un moteur pneumatique M couplé avec un compresseur C, un réservoir de récupération R, un circuit de démarrage CD, des pompes P 1, P 2 et P 3 et deux doubles échangeurs A et B. Une nappe d'eau alimente en 4 un premier échangeur 5 et circule jusque dans l'échangeur A au moyen de la pompe P 1. Dans l'échangeur A arrive un fluide caloporteur, du gaz fréon par exemple, provenant d'une bouteille 6 par l'intermédiaire d'un détendeur 7. Des tubulures d'échange 10 sont aménagées de manière connue pour obtenir un échange entre ledit gaz et l'eau de la nappe. Le gaz sort réchauffé de l'échangeur A et parvient par la conduite 8 dans le compresseur C. A la sortie de ce dernier, ledit gaz échauffé par compression parvient dans l'échangeur B c5 il se détend et se liquéfie de manière connue en apportant des calories à un fluide 9 de récupération qui circule dans ledit échangeur B par l'intermédiaire des tubulures 11.Le niveau de liquéfaction du gaz est assuré de manière certaine au moyen de l'échangeur 5 qui reçoit de l'eau à température constante par l'arrivée 4, ledit gaz liquéfié étant ensuite renvoyé dans la bouteille 6. Le moteur M est actionné par un gaz moteur qui circule en circuit fermé entre l'échangeur A et l'échangeur B. Le gaz moteur basse pression 12 en aval du moteur M, circule dans des tubulures 13 de l'échangeur A qui sont plongées dans l'eau provenant de la nappe. Le gaz moteur se liquéfie et circule par la conduite 14 jusque dans l'échangeur B au moyen de la pompe P 3 entourée de clapets anti-retour 15 et après avoir traversé le circuit de démarrage CD comportant un petit réservoir pour ledit gaz moteur liquide et une résistance chauffante. Ledit gaz moteur traverse des tubulures 16 de l' changeur B, plongées dans le fluide 9 de récupération, se vaporise et monte en pression. Le gaz moteur haute pression 17 parvient ensuite au moteur M et la boucle est fermée. L'eau de la nappe sort de l'échangeur A pour retourner à ladite nappe par l'intermédiaire d'une vanne trois voies V 1 tandis que le fluide de récupération circule en circuit fermé à travers l'échangeur B et parvient dans le réservoir R par l'iùtermédiaire de la vanne V 2 de fermeture. Le réservoir R est destiné à chauffer de lleau sanitaire au moyen de la tubulure 18 et/ou à alimenter des radiateurs par une conduite d'aller 19 et une conduite de retour 20 tandis que des vannes trois voies V 3 et V 4 sont prévues dans ce circuit de chauffage. Une conduite de retour 21 munie d'un réglage 26 est également prévue, ainsi qu'un radiateur soufflant 22 contrôlé par une vanne trois voies V 5. Une sonde de température 23 combinée avec une vanne V 6 de régulation sur la conduite 21 permet de régler le débit de retour dans l'échangeur B. Si la température ne peut plus etre régulée (débits des radiateurs et sanitaire nuls), la vanne de régulation V 7 de 11 échangeur B pour le gaz moteur, montée sur la conduite de sortie coupe l'alimentation moteur, cette vanne étant commandée par la sonde 24 du réservoir B et un préssostat 25 B P - H P de sécurité monté en dérivation du circuit compresseur. Un déshydrateur 27 et un voyant de contrôle 28 sont en outre prévus entre la bouteille de gaz 6 et le détendeur 7, tandis que le pressostat 25 est entouré d'un manomètre basse pression 20 et d'un manomètre haute pression 30. Les pompes P l et P 2 peuvent être électriques et alimentées par un accumulateur 31 chargé par exemple par un générateur 32 actionné par le moteur M. La pompe P 3 à double piston est actionnée par l'énergie pneumatique du circuit moteur tandis qu'unie électrovanne 33 à trois voies en dérivation sur le moteur, règle la circulation du gaz en admission (circuit haute pression) et en échappement (circuit basse pression). Une base de temps électronique est prévue pour envoyer des impulsions de commande sur l'électrovan- ne, le rythme des impulsions étant déterminé d'une part, en fonction du niveau de demande des sondes disposées dans le réservoir R et d'autre part, selon le nombre degroupes-moteurs en fonction, dont un seul est représenté, des connexions 34 et 35 étant prévues pour constituer respectivement une entrée et une sortie pour des moteurs supplémentaires destinés par exemple à prélever une partie de l'énergie thermique pour actionner un générateur électrique. A la suite de cette description le fonctionnement est clair. Au départ la vanne V 2 est fermée et le circuit de démarrage mis en fonction, le clapet anti-retour 15 assurant la direction du gaz vers le moteur. Le gaz liquide moteur est transformé en gaz haute pression dans l'échangeur B et assure le fonctionnement du moteur M dont'les premiers tours permettent d'entrainer le compresseur C et les pompes P 1, P 2 et P 3. Les échanges thermiques s'effectuent immédiatement et remplacent progressivement l'énergie du circuit de démarrage. Le gaz moteur basse pression qui sort du moteur s'échap pe liquide de l'échangeur A et ferme la boucle, tandis que le fréon circule aussi en circuit fermé entre la bouteille 6, l'échangeur A, le compresseur C et l'échangeur B.L'eau de la nappe est également en circuit fermé ou en circuit ouvert lorsqu'il s'agit d'une rivière ou similaire. I1 est clair que le dispositif représenté permet de chauffer un fluide de récupération et d'alimenter un circuit de chauffage. Toutefois une conduite 36 entre les vannes trois voies V 1 et V 3 et une conduite 37 entre la vanne trois voies V 4 et la nappe permettent un fonctionnement en réfrigération. En effet, en inversant la position des vannes V 1, V 3, V 4 et V 5 par rapport à la position chauffage représentée, les radiateurs reçoivent de l'eau réfrigérée provenant de l'échangeur A, tandis que les calories excédentaires fournies dans l'échangeur B sont évacuées au moyen du radiateur soufflant 22 dans l'atmosphère, l'eau retournant ensuite dans la nappe par la conduite 37. I1 est possible, comme il a déjà été dit, d'utiliser un ou plusieurs groupes moto-compresseurs hermétiques électriques, l'énergie électrique étant alors fournie à partir d'une ou plusieurs génératrices couplées à des moteurs pneumatiques, par l'intermédiaire éventuellement de batteries de stockage préalablement chargées par le ou les génératrices. Le moteur pneumatique M est quelconque et il est possible d'imaginer tous les systèmes moteurs a détente ou compression gazeuse telles que les turbines par exemple. Un mode de réalisation particulièrement avantageux est représenté à la figure 3. Ce mode de réalisation comporte un chambre de compression 40 distincte d'une chambre moteur 41 munies respectivement du compresseur C et du moteur M accouplés entre eux au moyen d'un entraînement magnétique 42. Le gaz moteur à l'état liquide est récupéré dans la partie basse de la chambre 41 par la conduite 43 et injecté en circuit fermé au moyen de la pompe P 2 dans e-es tubulures d'échanges 44 disposées dans la part: basse de la chambre 40. Cette partie basse de la chambre 40 qui contient le fluide caloporteur comprimé constitue un échangeur de calories entre directement lesdits fluides de maniere telle que le gaz moteur liquide se vaporise et s'élève en pression avant de parvenir dans la partie haute de la chambre 41. Le fluide caloporteur comprimé de la partie basse de la chambre 40 se refroidit et se liquéfie avant d'être envoyé par une conduite 45 et un injecteur détendeur 45 dans la partie haute de la chambre 40. Dans ce mode de réalisation l'échangeur de détente et de liquéfaction du gaz moteur est réalisé au moyen de tubulures 47 disposées dans la par tie basse de la chambre 41 et dans lesquelles circule l'eau de la nappe qui arrive en 48 au moyen de la pompe P 1. L'échangeur de frigories du fluide caloporteur avant compression est réalisé au moyen de tubulures 49 aménagées dans la partie haute de la chambre 40 et dans lesquelles circule l'eau de la nappe provenant des tubulures 47 par l'intermédiaire de la conduite 50, tandis que ladite eau s'échappe vers la nappe ou autre par la sortie 51. Dars ce dispositif, il n'y a pas de fluide de récupération, l'énergie récupérée étant directement transformée en énergie électrique par le générateur 52 actionné par l'arbre moteur et par l'intermédiaire d'un entrainement magnétique 53 et d'un réducteur 54. De nombreuses modifications ou variantes peuvent évidemment être imaginées sans sort1 du cadre de l'invention. C'est ainsi par exemple qu'il est possible dans le dispositif de la figure 2 de multiplier les unités moteur-compresseur. Dans ce cas des vannes thermostatiques sont montées sur le circuit haute pression des moteurs et commandées par des sondes placées sur le réservoir R. Selon les niveaux de réglage des sondes, les groupes sont successivement mis en serviee en fonction des besoins, le circuit de démarrage étant alors commun à tous les moteurs. REVENDICATIONS 1) Générateur auto-moteur d'énergie thermique ou frigorifique et/ou électrique à partir d'une source calorifique comportant, un échangeur thermique dénommé ci-après, échangeur de frigories entre ladite source et un fluide caloporteur, au moins un compresseur destiné à élever la température dudit fluide par compression et un récupérateur d'énergie destiné à récupérer l'énergie thermique provenant du fluide comprimé caractérisé en ce que le compresseur est actionné par au moins un moteur pneumatique dont le gaz moteur est mis sous pression dans un échangeur thermique dénommé ci-après, échangeur de calories aménagé de manière à effectuer un échange calorifique direct ou non entre ledit gaz moteur et le fluide caloporteur comprimé qui se détend et éventuellement se liquéfie dans ledit échangeur. 2) Générateur selon la revendication 1 caractérisé en ce que le gaz moteur basse pression en aval du moteur est détendu et liquéfié par condensation réfrigérée et injecté en circuit fermé dans l'échangeur de calories où ledit gaz, en phase liquide à l'entrée, se vaporise et s'élève en pression. 3) Générateur selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'injection du gaz moteur liquide dans l'échangeur de calories est effectuée par l'intermédiaire d'un dispositif de démarrage du générateur sous forme par exemple d'un moteur auxiliaire et/ou d'un réservoir dudit gaz liquide muni d'un moyen de chauffage extérieur. 4) Générateur selon l'une des revendications 2 et 3 caractérisé en ce que la détente et la liquéfaction du gaz moteur basse pression sont réalisées dans un échangeur dont l'agent d'échange est l'agent de la source éventuellement associé avec le fluide caloporteur. 5) Générateur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4 caractérisé en ce que l'échangeur de frigories est à double échange et triple circulation de maniere telle qu'il s'effectue un échange thermique entre, d'une part, l'agent de la source et le fluide caloporteur avant compression et, d'autre part, l'agent de la source et le gaz moteur basse pression. 6) Générateur selon la revendication 5 caractérisé en ce que l'échangeur de frigories comporte des tubulures d'échange plongées dans l'agent de la source et dans lesquelles circule le gaz moteur et des tubulures dans lesquelles circule l'agent de la source et entre lesquelles circule le fluide caloporteur avant compression. 7) Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dont le récupérateur d'énergie comporte un réservoir de fluide de récupération chauffé combiné avec un échangeur entre ledit fluide et le gaz comprimé caractérisé en ce que l'échangeur de calories est à double échange et triple circulation de manière telle qu'il.s'effectue un échange thermique entre, d'une part, le fluide de récupération et le fluide caloporteur comprimé et, d'autre part, entre le fluide de récupération et le gaz moteur. 8) Générateur selon la revendication 7 caractérisé en ce que l'échangeur de calories comporte des tubulures d'échange plongées dans le fluide de récupération et dans lesquelles circule le gaz moteur et des tubulures dans lesquelles circule le fluide de récupération et entre lesquelles circule le fluide caloporteur comprimé. 9) Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que les pompes de circulation des différents fluides sont actionnées en totalité ou en partie directement par le moteur pneumatique ou un moteur pneumatique supplémentaire et/ou par une énergie électrique provenant d'au moins une génératrice couplée avec ledit moteur et éventuellement stockée au préalable dans des batteries d'accumulateurs. 10) Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que le ou les compresseurs sont des moto-compresseurs hermétiques électriques alimentés en énergie par au moins une génératrice couplée avec le ou les moteurs pneumatiques, par l'intermédiaire éventuellement de batteries électriques de stockage chargées par ladite génératrice. ll) Générateur selon l'ensemble des revendications 1, 2 et 4 caractérisé en ce qu'il comporte une chambre de compress.ion et une chambre moteur distinctes munies respectivement d'un compresseur et d'un moteur pneumatique accouplés entre-eux, au moyen par exemple d'un entrainement magnétique, le gaz moteur étant récupéré à l'état liquide dans la partie basse de la chambre moteur et injecté en circuit fermé dans la partie haute de celle-ci passant sous forme gazeuse haute pression en traversant de manière étanche la partie basse de la chambre de compression qui constitue l'échangeur de calories entre directement ledit gaz moteur et le fluide caloporteur comprimé, ce dernier ainsi refroidi étant renvoyé dans la partie haute de la chambre de compression, au moyen par exemple, d'un injecteur-détendeur, tandis que l'échangeur de détente et de liquéfaction du gaz moteur, d'une part, et l'échangeur de frigories du fluide caloporteur avant compression, d'autre part, sont constitués au moyen d'une circulation étanche de.l'agent de la source respectivement dans la partie basse de la chambre moteur et dans la partie haute de la chambre de compression, le moteur étant en outre accouplé à un récupérateur énergie, telle qu'une génératrice électrique par exemple et l'agent réfrigéré de la source sortant de la partie- haute de la chambre de compression étant éventuellement dirigé vers un circuit de réfrigération. 12) Générateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 dont le récupérateur d'énergie comporte un réservoir de fluide de récupération combiné avec un échangeur entre ledit fluide et le gaz comprimé caractérisé en ce C est muni d'un extracteur de calories pour le fluide de récupération, sous forme par exemple d'un radiateur soufflant dans l'atmosphère, et de conduits équipés de vannes trois voies aménagés de manière au choix, soit de distribuer le fluide de récupération chauffé dans un circuit de chauffage, à radiateurs par exemple, soit de récupérer l'agent réfrigéré de la source provenant de l'échan- geur de calories afin d'alimenter un circuit de réfrigération, le fluide de récupération étant alors refroidi au moyen de l'extracteur de calories.