Brevet FR2470347A1 — publié le 19810529

La production de froid à partir d'une source de chaleur peut être réalisée actuellement au moyen d'installations frigorifiques à absorption. Celles-ci présentent plusieurs inconvénients d'une part leur rendement est médiocre, d'autre part elles imposent l'ammoniac comme fluide frigorigène. Si l'on considère un système comportant trois sources de chaleur A, B et C, telles que les températures absolues obéissent à la relation TA > TB > TC on peut établir la formule exprimant le rendement thermodynamique d'un dispositif fournissant de la chaleur en A pour en transférer de C vers B.Le calcul simplifié donne : frigories produites en C TC TA - TB # = = # calories fournies en A TA TB - TC Cette formule peut également s'écrire p = p1 . p2 Tc TC TA - TB @ @ @ avec @2 = et #1 = TB - TC TA P1 exprime le rendement d'un moteur thermique fonctionnant entre TA et TB et P2 celui d'une machine frigorifique opérant entre TB et TC Cette expression permet d'expliquer les limites du système à absorption pour lequel p1 ne pourra jamais atteindre de valeur intéressante puisque quelques dizaines de degrés-seulement séparent TA et TB.Il est clair, par contre, que tout système opérant avec une température élevée de la source chaude autorisera un accroissement sensible du rendement, et, corrélativement, une substantielle économie d'énergie. C'est ce que permet d'obtenir le dispositif objet de la présente invention. Ce dispositif fonctionne par thermocondensation. Le principe est le suivant : une quantité contrôlée de fluide à haute température et à haute pression est détendue dans une enceinte remplie du même fluide à température et pression plus basses. Dans un premier temps, cette détente brutale produit un effet de compression sur le fluide qui est chassé dans un condenseur à travers un dispositif anti-retour (D.A.R.). Dans un deuxième temps, le fluide à température élevée, qui a agi comme un piston, se refroidit à la température de l'enceinte. Le refroidissement amène alors une chute de pression suffisante pour provoquer une évaporation dans l'évapo- rateur à travers un autre dispositif anti-retour.Lorsque les pressions sont cquilibrées entre l'évaporateur et l'enceinte de détente on retrouve l'état initial, et il suffit dc recommencer l'opération. Comme il y a trois zones de pressions différentes, on doit prévoir trois réservoirs de fluide liquide à des températures convenables : on sait en effet qu'à chaque pression correspond une température d'équilibre et réciproquement. Des dispositifs adaptés permettent le transfert du fluide liquide du condenseur vers l'évaporateur et la zone haute pression. Le dispositif objet de la présente invention est schémati- sé à la figure ci-jointe. I1 comporte cinq parties principales A) un réservoir contenant un fluide frigorigène à une température comprise entre l'ambiante et la température critique B) une enceinte portée à haute température C) une enceinte de transfert D) un condenseur qui permet de recueillir le fluide liquide dans un réservoir ; E) un évaporateur. Ces cinq parties sont connectées entre elles au moyen de - un raccord simple, ou une vanne 1 entre (A) et (B) - une vanne 2 entre (B) et (C) - un dispositif anti-retour 3 (D.A.R.) entre (C) et (D) et 4 entre (E) et (C) ; - un raccord classique entre (D) et (E) - une pompe qui permet de transférer du fluide liquide depuis le condenseur (D) jusqu'au réservoir (A). Durant le fonctionnement, les températures se répartissent comme suit TB > > TA > TC T D > TE La relation entre les pressions est PA = PB > PD > Comme on le verra, la nression dans l'enceinte C est variablc c'est ce qui remplace le compresseur des installations classiques. La formule énoncée dans le préambule n'est nas rigourcuse- ment valablc ici, du fait, notarnment, qu'elle suppose négligeable la quantité de chaleur fournie au réservoir A. Li le constitue nL.-jii- moins une bonne approximation surtout lorsque TA est voisine de la température @ritique. et qu'il y a un gran@ @cart entre TA et TB. C@ dispositif fon@tionne suivant un evel@ @ @@ux @e@@@. Dans un premter temps, on env@i@ de la vapeur @@@@ pr@@@ion @@@@. haute température dans l'enceinte C en ouvrant l'électrovanne 2. Le fluide qui se trouvait déjà dans cette enceinte est alors chassé dans le condenseur D où il se liquéfie par suite de l'augmentation de pression. Cette première phase, très brève, se termine par la fermeture de l'électrovanne. Plusieurs options sont possibles à ce niveau : ou bien, on ajuste empiriquement la durée optimale d'ouverture de la vanne, ou bien la fermeture est commandée par un sonde de température à faible inertie thermique placée avant le D.A.R. 3. Dans le cas où l'on place une vanne entre A et B, c'est le volume même de l'enceinte B qui détermine la quantité de fluide qui se détend dans l'enceinte, l'ouverture de la vanne 2 commandan la fermeture de la vanne 1. Dans un deuxième temps, le gaz contenu dans l'enceinte C se refroidit : cette enceinte est en effet refroidie en permanence à une température aussi voisine que possible de l'ambiante. Ce refroidissement provoque une chute de pression en C qui se répercute ensuite dans l'évaporateur E. Il y a ainsi aspiration de fluide de l'évaporateur vers ltenceinte C à travers le D.A.R. 4. Cette phase se termine lorsque les pressions en C et E sont équilibrées. Un cycle peut alors recommencer. Ce dispositif peut être utilisé indifféremment comme système frigorifique ou comme pompe de chaleur. Cette dernière utilisation est particulièrement attrayante car elle permet de retirer d'un combustible une quantité de chaleur supérieure à son enthalpie de combustion Les gaz de combustion peuvent constituer en eux mêmes la source froide : on récupère ainsi la chaleur de condensation de la vapeur d'eau issue des brûleurs. REVENDICATIONS 1. Dispositif de transfert de chaleur entre une source froide et une source chaude au moyen d'une troisième source de chaleur à haute température, caractérisé en ce qu'il comporte un évaporateur, un condenseur, une enceinte à haute température et une enceinte de transfert dont les variations de pression interne induisent les processus de liquéfaction et de vaporisation du fluide frigorigène. 2. Dispositif de transfert de chaleur suivant la revendication 1, caractérisé en ce qutil fonctionné de façon cyclique dans un premier temps, on provoque la détente brutale et très brève d'une quantité contrôlée de fluide provenant d'une enceinte à haute température dans l'enceinte de transfert, chassant ainsi le fluide qui s'y trouvait précédemment dans le condenseur où il se liquéfie. Dans un deuxième temps, le refroidissement à volume constant du fluide présent dans l'enceinte de transfert amène une chute de pression suffisante pour provoquer une vaporisation dans l'évaporatueur Le cycle peut recommencér dès que les pressions se sont égalisées entre l'évaporateur et l'enceinte de transfert. 3. Dispositif suivant les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la pression du fluide dans l'enceinte à haute température découle de la température à laquelle se trouve porté un réservoir contenant le fluide liquide et communiquant avec la dite enceinte. 4. Dispositif suivant les revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que les différentes parties sont reliées entre elles au moyen de 1) un raccord simple ou une vanne entre le réservoir principal et l'enceinte à haute température 2) une vanne entre l'enceinte haute température et l'enceinte de transfert 3) deux dispositifs anti-retour entre l'enceinte de transfert et le condenseur et l'évaporateur, de telle sorte que le gaz circule seulement de l'évaporateur vers l'enceinte et de l'enceinte vers le condenseur 4) un dispositif de passage du fluide liquide entre le condenseur et l'évaporateur et un autre dispositif assurant le transfert de fluide liquide du condenseur vers le réservoir principal.