Brevet FR2500601A1 — publié le 19820827

Dans les différents systèmes de transfert d'énergie connus et utilisée actuellement, basés sur les changements d'état ou de composition, les échanges n'ont lieu que sous une pression supérieure a la pression atmosphérique. Cependant, des machines frigorifiques à évaporation d'eau sous vide ont été utilisées notamment pour le refroidissement des cuirassés. Le principe en était l'utilisation d'un éjecto-compresseur à vapeur aspirant dans un évaporateur où il créait un vide poussé nécessaire à l'évaporation de l'eau d'une saumure, puis refoulant dans un condenseur à circulation d'eau, l'eau condensée faisait retour à l'évaporateur. Les éjecto-compresseurs étaient des équipements, lourds, encombrants et Consommant une grande quantité de vapeur nécessitant, de ce faits un générateur de vapeur important. D'autre part, les stockages ou les restitutions d'énergie par désorption ou adsorption utilisent, en général, des fluides différents de ceux utilisés couramment dans les systèmes de transfert d'énergie déjà précités. Or, l'utilisation de changement d'état sous vide autorise l'utilisation de fluides ne présentant soit, aucun risque en cas de fuite, soit qu'un coût de remplacement très faible, soit l'utilisation que de matériaux simples et faciles à mettre en oeuvre. D'autre part, l'utilisation du vide permet également le choix judicieux d'un même fluide de base pour assurer as fonctions de stockage ou de restitution d'énergie et de transfert de niveau d'énergie. Ainsi, dans le cas où on utilise par exemple l'eau comne fluide, on cbnstate (voir tableau 1) qu'à 80C, elle s'évapore, à une pression absolue de 0,01 bar, en absorbant 2469 Kj/kg de vapeur évaporée. Par ailleurs, on constate qu'à une pression de 0,2 bar et à 60 C. la vapeur d'eau se condense en libérant 2353 KJ/kg de vapeur condensée. Ainsi, si on utilise le cycle en régime sec, avec surchauffe (Fig. 3) avec le montage (2) avec de l'eau, par exemple, on obtient les éléments suivants, aux conditions de pression et de températures déjà pris en exemple précédemment. En 1, à la sortie de la bouteille accumulatrice A 1, les conditions théoriques seraient les suivantes : P - 0,2 bar S 60 C H - 253,3 KJIkg. En 2, à la sortie du régleur D 1, au travers duquel on a une détente à enthalpie constante : P - 0,01 bar S 8 C H - 253,3 KJ/kg. En 3, après l'évaporateur E 1, juste avant la pompe à vide P.I P - 0,01 bar Q- 8 C H - 2400 KJ/kg. En 4, apres la pompe à vide et avant le condenseur, après compression isentropique : P = 0,2 bars gh = 3050 C H = 3088 KJ/kg si pas de refroidissement de la culasse de la pompe P 1 P = 0,2 bars 9, = 1080 C H = 2700 KJ/kg si refroidissement suffisant de la culasse de la pompe. On constate que la pompe a vide a, en phase normale, le rôle du compresseur classique d'une pompe à chaleur ou d'un groupe frigorifique. Par ailleurs, elle a le rôle, en transitoire, de faire le vide au moins partiel dans l'ensemble des circuits. Enfin, on constate dans l'exemple déjà cité que le coëfficient apparent de rendement de la pompe à vide est de - 4,12 avec un écart de température de 520 en utilisation en pompe à chaleur. - 3,12 avec un écart de température de 520 en utilisation en groupe de refroidissement. L'utilisation de l'eau permet, en outre, un rechargement facile du circuit en cas d'incident ou de fuite avec de l'eau déminéralisée de préférence. Beaucoup d'énergie thermique de bas niveau (inférieure à 300 C) est perdue (le rendement d'une centrale nucléaire est de 33 %, ce type d'unité rejette à l'atmosphère 200 m3/s. d'eau à 30/400 pour 4 tranches de 1.000 NW). Cette énergie pourrait être récupérée en chauffage collectif ou industriel par distribution de réseau d'eau ou de fluide caloporteur sur longue distance à basse température (20 à 25 OC) ce qui permettrait des pertes thermiques en ligne faible avec, de place en place, mis en dérivation, un groupe pompe à chaleur telle que décrite pour remonter la température à 60/700 ou plus si nécessaire, pour distribuer cette chaleur dans un environnement proche, le retour d'eau ou du fluide caloporteur froid étant assuré soit vers l'unité de production de chaleur ou la rivière en fonction des cas, selon schéma 6. Une autre application particulière de ce type de pompe à chaleur est la récupération de l'énergie dans la nappe phréatique et en utilisant cette dernière comme stockage d'energie.La nappe phréatique ayant une température voisine de 100 C. sensiblement constante à quelques degrés près, été comme hiver, il est possible de faire une distribution de l'eau ainsi extraite dont les calories seront restituées à un niveau de température acceptable, grâce à une ou plusieurs pompes à chaleur de puissance suivant le principe énoncé précédemment, au lieu d'utilisation, l'eau froide étant réinjectée dans la nappe. D'autre part, le brevet français nO 2.376.371 montre un dispositif de stockage et de libération d'énergie sous forme d'hydratation ou de déshydratation de sel ou autres1 sous vide. L'inconvénient du système dans son application pratique - est le gros encombrement nécessité par le stockage des sels d'une part, et le stockage de l'eau d'autre part, pour restituer la chaleur ainsi stockée.Si on associe le principe de pompe à chaleur ou de refroidissement exposé précédemment au dispositif de stockage prévu par le brevet français nO 2.376.371, on peut alors avoir un ensemble de chauffage ou de refroidissement beaucoup mpins encombrant dans lequel le fonctionnement normal serait l'extraction des calories et restitution immédiate en cycle normal, en:cycle exceptionnel extraction des calories dans le stockage de sel (ce stockage étant de ce fait réduit) en deuxième cycle exceptionnel, restitution des calories par réhydratation des sels. Ce procédé est défini à titre d'exemple par la figure 5 annexée dans ce cas, le fluide devient obligatoirement de l'eau. La pompe à vide a donc plusieurs fonctions.Mais, afin de ne pas multiplier ce type d'appareil coûteux, on adjoint dans le système un réservoir de vide à treks basse pression (R 3) le tampon à basse pression étant maintenu par R.1 qui sert en mne temps de bouteille d'accumulation. Afin de ne pas déséquilibrer le système normal, c'est-à-dire pompe à chaleur ou groupe de refroidissement, une deuxième bouteille d'accumulation R.2 peut être prévue afin de réhydrater le sel quand ceci est nécessaire. A noter que la déshydratation du sel en C.2 peut être assurée soit par un générateur type capteur solaire ou autre, soit ainsi que cela l'est signalé sur le schéma fig. 5 par le condenseur du dispositif pompe à chaleur. Le choix du circuit adopté étant fourni par la variation de position de la vanne 3 voies, par exemple V.7 ; à noter que la vanne V.2 trois voies permet, si nécessaire, de dégonfler le circuit pour éventuellement ramener R.2 à la pression nécessaire. Les différentes phases de fonctionnement sont les suivantes 10) phase pompe à chaleur ou groupe de refroidissement : la vanne V.3 est alors ouverte et le fluide (l'eau, par exemple) est détendu dans l'évapo- rateur E.1. La vanne V.4 étant ouverte, R.3 est maintenu grâce à la pompe à vide P.1 à une pression très proche du vide. La position de la vanne V.1 étant dans le sens (R.3 vers pompe à vide P.1), la vanne V.2 étant dans le sens (P.1 vers vanne V.7), la pompe P.1 recomprime le fluide qui va alors dans l'échangeur C.1 puis dans le retour, dans la bouteille d'accumulation R. 1 20) stockage d'énergie.Dans le cas du stockage d'énergie, la vanne V.6 est fermée, la vanne V.5 est ouverte et la vanne V.7 est ouverte dans le sens (V.2 vers C.2) avec une régulation de pression sur R.3 qui ouvre ou ferme V.5 pour maintenir la dépression, l'autre cycle pompe à chaleur étant toujours utilisé. 30) Cycle de restitution de calories depuis l'échangeur C.2 V.4 et V.3 sont fermées, V.6 et V.5 sont ouvertes ; dans ce cas-là, l'eau contenu dans R.2 s'évapore et vient réhydrater le sel contenu dans C.2 et fournit ainsi de la chaleur. La pompe P.1 maintient la dépression à une valeur déterminée au préalable en fonction de la quantité de chaleur nécessaire. 4 ) Cycle de regonflage du circuit. Si la pression est trop forte en R.1 la vanne V.3 est fermée ; la vanne V.2 est ouverte dans le sens pompe à vide vers extérieur ; la vanne V.1 est ouverte dans le sens R.1 vers pompe à vide. Le cycle s'arrête quand la dépression est de nouveau rétablie dans la bouteille. Réajustement du vide : V.5 et V.4 étant fermées, V.1 est ouverte dans le sens V.3 vers pompe à vide; V.2 est ouverte dans le sens pompe à vide vers V.7 ; V.7 étant elle-même ouverte dans le sens (vanne V.2 vers C.1). Sur le schéma, a été mis une vanne V.8 vanne 3 voies, qui permet de choisir l'un ou l'autre des générateurs de chaleur sur le circuit de chauffage ou de refroidissement. - R E V E N D I C A T I O N S - - 1 - Pompe à chaleur ou de refroidissement caractérisée en ce que la captation des calories se fait par changement d'état sous vide, que le vide est assuré par une pompe à vide, que le changement d'état est la vaporisation soue vide d'un liquide. - 2 - Installation selon la revendication 1, caractérisée par l'utilisation d'une réserve de vide sur le circuit très basse pression. - 3 - Pompe à chaleur ou groupe frigorifique selon les revendications 1 à 2, caractérisée en ce que le fluide utilisé est de l'eau. - 4 - Pompe à chaleur ou groupe de refroidissement selon les revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la bouteille d'accumulation est équipée d'une alimentation en eau pouvant être constituée par un tube allant jusqu'au fond de la bouteille ; ce tube étant équipé à l'extérieur de la bouteille d'une vanne étanche au vide et d'un petit récipient pouvant être un entonnoir permettant ainsi la recharge en eau, en ce qu'un orifice calibré est mis en amont ou en aval de la vanne afin de freiner la vitesse d'entrée du liquide. - 5 - Application au chauffage collectif ou industriel des pompes à chaleur selon les revendications 1 à 4 caractérisée en ce que la chaleur est amenée à une basse température (inférieure, par exemple à 30 C) par fluide caloporteur puis élévation de la température à un niveau acceptable (supérieur, par exemple à 50 C) par utilisation de la pompe précitée pour distribution dans l'environnement immédiat, le fluide froid étant retourné soit à la source de chaleur primitive, soit à la rivière dans le cas notamment où le fluide caloporteur est de l'eau issue, par exemple, d'une centrale électrique. - 6 - Application de chauffage selon la revendication 5, caractérisée en ce que le groupe pompe à chaleur est placé en dérivé de la distribution principale de la source primaire. - 7 - Application de chauffage particulier selon les revendications 5 et 6 caractérisée en ce que la source primaire est de l'eau extraite de la nappe phréatique. - 8 - Groupe de chauffage ou de refroidissement caractérisé en ce qu il compor un systeme de pompe à chaleur ou de refroidissement suivant les revendications 1 à 4 associé à un stockage d'énergie basé sur le principe d'hydratation, de déshydratation de sel ou autres produits sous vide. - 9 - Groupe de chauffage ou de refroidissement selon la revendication 8 caractérisé en ce que le stockage de vide est commun à la partie pompe à chaleur et à la partie hydratation, déshydratation. - 10 - Groupe de chauffage ou de refroidissement selon les revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'il permet les cycles suivants : cycle pompe à chaleur ou de refroidissement avec restitution immédiate de la chaleur ou du froid, cycle stockage d'énergie avec déshydratation du sel et fonctionnement en pompe à chaleur avec pour condenseur, le stockage de sel ou d'autres produits, cycle restitution d'énergie avec hydratation du:,sel et utilisation du stockage de sel comme chaudière avec utilisation éventuelle de la pompe à vide pour maintenir la dépression nécessaire.