Brevet FR2508617A1 — publié le 19821231

PROCEDE ET APPAREIL POUR EXTRAIRE DE L'ENERGIE THERMIQUE D'UNE SUBSTANCE. La présente invention concerne un procédé et un appareil pour extraire de l'énergie thermique d'une substance, par exemples un fluide de traitement. L'importance de la chaleur non voulue qui peut être ex- traite de façon économique d'un fluide de traitement au moyen d'une plaque de refroidissement ou d'un milieu é- changeur de chaleur dépend de la température de celui-ci. Bien qu'un autre refroidissement de fluide de traitement puisse être réalisé en utilisant une technologie de réfri- gération classique, dans certains équipements les pertes parasites résultantes des commandes de compresseur, la complexité technique et les coûts élevés de ces équipe- ments rendent cette solution non viable Cependant, si cet autre moyen de refroidissement pouvait être réalisé de façon économique, par exemple, en utilisant une partie de l'énergie, autrement gaspillée, extraite du fluide de traitement pendant son refroidissement initial, il serait possible de faire fonctionner l'équipement en disposant en sortie d'une énergie supérieure. En considérant un moteur à combustion interne comme exem- ple, la puissance de sortie du moteur est fonction de la température et de la densité de l'air d'entrée utilisé pendant la combustion Quand un tel moteur est utilisé dans un endroit o la température et la pression de l'air ambiant diffèrent de celles pour lesquelles le moteur a été conçu, il faut auparavant diminuer les performances du moteur pour permettre une réduction de la densité d'air. Si l'air introduit dans le moteur pouvait être refroidi au-dessous du niveau que l'on obtient habituellement de façon économique, la densité de l'air serait rétablie à la valeur à laquelle le moteur a été conçu et la nécessité d'une diminution de performances serait éliminée ou du moins réduite. D'autres exemples d'équipements qui pourraient bénéficier d'un autre refroidissement du fluide de traitement sont les moteurs à gaz dans lesquels le refroidissement de l'air ou des gaz de combustion peut réduire la détonation prématurée de combustion en permettant d'utiliser des taux de compression supérieurs qui entraînent une augmenta- tion de la puissance du moteur, et les compresseursde gaz permettant d'améliorer les performances (qui sont fonction du refroidissement entre étages) en refroidissant le gaz entre étages et de supprimer également l'humidité de maniè- re à ce que le gaz comprimé soit plus sec. Un objet de la présente invention est un procédé et un ap- pareil permettant de réaliser un autre refroidissement du fluide de traitement ou d'autres substances de façon écono- mique. Selon la présente invention, un procédé d'extraction d'é- nergie thermique d'une substance est caractérisé en ce qu'il consiste à placer ladite substance dans un rapport d'échange de chaleur avec un premier fluide réfrigérant par lequel il communique de l'énergie thermique au premier fluide réfrigérant, à utiliser l'énergie thermique ainsi communiquée au premier fluide réfrigérant pour réduire la pression d'un second fluide réfrigérant, et à placer la- dite substance ou une autre substance dans un rapport d'é- change de chaleur avec le second fluide réfrigérant à la pression réduite De cette manière, le second fluide ré- frigérant peut refroidir la substance ou l'autre substanoe jusqu'à un degré supérieur que ce qui serait possible s'il devait être maintenu à une pression normale, sans avoir prévu une source d'alimentation séparée pour obtenir la réduction de pression. De préférence, les fluides réfrigérants sont des liquides, tels que l'énergie thermique communiquée au premier flui- de réfrigérant le fasse évaporer ou vaporiser, et le point d'ébullition du second fluide réfrigérant est abaissé par la réduction de pression. Quand la même substance (par exemple un fluide de traite- ment) est refroidi successivement par le premier et par le second fluide réfrigérant, la substance peut être à nou- veau placée dans un rapport d'échange de chaleur avec le premier fluide réfrigérant après que l'énergie thermique qui lui a été communiquée soit utilisée comme susdit et/ ou avec le second fluide réfrigérant après un échange de chaleur avec la substance, à un point intermédiaire entre ceux ou la substance est placée dans un rapport d'échange de chaleur respectivement avec le premier et le second fluide réfrigérant. Avantageusement, les premier et second fluides réfrigé- rants sont un même fluide Dans ce cas, les fluides réfri- gérants sont de préférence fournis par une même source, et après un échange de chaleur avec la substance ou une autre substance les fluides réfrigérants sont refroidis a- vant d'être renvoyés à la source. Selon un second aspect de la présente invention, un appa- reil pour extraire de l'énergie thermique d'une substance est caractérisé en ce qu'il comprend un premier échangeur de chaleur dans lequel la substance est placée dans un rapport d'échange de chaleur avec un premier fluide réfri- gérant, un second échangeur de chaleur dans lequel la substance ou une autre substance est placée dans un rap- port d'échange de chaleur avec un second fluide réfrigé- rant, et un moyen alimenté par l'énergie thermique com- muniquée au premier fluide réfrigérant et agencé pour ré- duire la pression du second fluide réfrigérant dans le second échangeur de chaleur. De préférence, les premier et second fluides réfrigérants sont des liquides, et sont avantageusement un même liqui- de Dans ce dernier cas, l'appareil peut également com- prendre une source commune qui fournit les fluides réfri- gérants aux échangeurs de chaleur, et un refroidisseur dans lequel passent les fluides réfrigérants à partir des échangeurs de chaleur pour être refroidis avant d'être renvoyés à ladite source. Avantageusement, la même substance (telle qu'un fluide de traitement) est refroidie successivement par le premier et par le second échangeur de chaleur, et l'appareil com- prend en outre un troisième échangeur de chaleur dans le- quel la substance est placée dans un rapport d'échange de chaleur avec le premier fluide réfrigérant après que la chaleur qui lui a été communiquée soit utilisée pour ali- menter ledit moyen et/ou avec le second fluide réfrigérant après un échange de chaleur dans le second échangeur de chaleur, le troisième échangeur de chaleur étant disposé entre le premier et le second échangeur de chaleur par rapport à la direction d'écoulement de la substance De cette manière, la charge sur le second échangeur de cha- leur est réduite car la substance est encore refroidie par le troisième échangeur de chaleur avant qu'elle attei- gne le second échangeur de chaleur Le second fluide ré- frigérant peut donc être à une pression supérieure à cel- le qu'il aurait s'il n'y avait pas de troisième échangeur de chaleur tout en produisant le même effet de refroidis- sement et, dans le cas o le second fluide réfrigérant est un liquide, sa température de condensation est supé- rieure de façon correspondante En conséquence, il y aura une différence de température moyenne plus grande entre le second fluide réfrigérant entrant dans le refroidis- seur et le fluide réfrigérant de ce dernier, ce qui per- met de réduire les dimensions du refroidisseur. Un éjecteur est un exemple de moyen approprié qui peut être utilisé pour réduire la pression du second fluide réfrigérant. Dans un exemple de réalisation préféré de l'invention, l'appareil est utilisé pour refroidir le gaz de charge d'un moteur à allumage par compression Cependant, l'appa- reil pourrait être aussi utilisé, par exemple, pour re- froidir un gaz dans un compresseur à plusieurs étages en- tre les étages de celui-ci. D'autres avantages et caractéristiques de la présente in- vention seront mis en évidence dans la description sui- vante, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référen- ce aux dessins annexés dans lesquels: Figure 1 est un schéma d'un premier exemple de réalisa- tion d'un appareil selon la présente invention; et Figure 2 est un schéma semblable d'un second exemple de réalisation d'un appareil selon l'invention. Dans l'appareil représenté sur la Figure 1, un liquide ou de la vapeur (qui sera désigné dans la suite comme un "fluide moteur") est fourni par une pompe de circulation 10 à un premier échangeur de chaleur 11 par l'intermédiai- re de valves de commande 12, et à un second échangeur de chaleur 13 par l'intermédiaire de valves de commande 14. Un fluide de traitement, initialement à une température supérieure à celle du fluide moteur, est envoyé séquen- tiellement dans les échangeurs de chaleur 11 et 13 comme les flèches 15 l'indiquent Dans le premier échangeur de chaleur 11, le fluide de traitement vient en contact d'é- change de chaleur avec le fluide moteur et est refroidi par celui-ci, l'énergie thermique qu'il perd étant prise par le fluide moteur A partir du premier échangeur de chaleur 11, le fluide moteur est fourni à un éjecteur 16 ou un dispositif semblable qui réduit la pression du flui- de moteur dans le second échangeur de chaleur 13, l'éjec- teur 16 étant alimenté par l'énergie thermique prise par fluide moteur dans le premier échangeur de chaleur li. Dans le second échangeur de chaleur 13, le fluide de trai- tement vient à nouveau en contact d'échange de chaleur avec le fluide moteur, mais puisque le fluide est mainte- nant à une pression réduite,son point d'ébullition est abaissé et il peut donc réduire encore la température du fluide moteur Les deux courants du fluide moteur à partir des premier et second échangeurs de chaleur 11 et 13 sont combinés à une sortie de l'éjecteur 16, et ensuite envoyés à une plaque de refroidissement 17 o ils sont refroidis en venant en contact d'échange de chaleur avec un milieu de refroidissement 18 De la plaque de refroidisse- ment 17, le fluide moteur refroidi est renvoyé à la pompe pour une recirculation La température du fluide de traitement après passage dans l'appareil peut être contrô- lée par un fonctionnement approprié des valves 12 et 14. Comme on l'a mentionné plus haut, dans les systèmes de re- froidissement classiques il n'est pas possible de refroi- fir le fluide de traitement de façon économique jusqu'à un niveau au-dessous de la température du milieu de re- froidissement 18 utilisé dans la plaque de refroidisse- ment 17 Cependant, dans l'appareil décrit plus haut, étant donné que la pression du fluide moteur dans l'é- changeur de chaleur 13 est réduite sans qu'une source d'alimentation séparée soit nécessaire pour cela, on peut refroidir le fluide de traitement de façon économique. Dans une disposition préférée, le fluide moteur est un liquide réfrigérant qui est porté à l'ébullition dans le premier échangeur de chaleur 11 (la vapeur qui en ré- sulte servant à alimenter l'éjecteur 16) et qui s'évapore -à une température inférieure dans la pression réduite du second échangeur de chaleur 13 Dans ce cas, la plaque de refroidissement 17 condense le liquide réfrigérant va- porisé à nouveau sous la forme d'un liquide. L'appareil représenté sur la Figure 2 est semblable à celui décrit en référence à la Figure 1, les parties cor- respondantes étant indiquées par les mêmes références nu- mériques, mais il comprend un troisième échangeur de cha- leur 19 disposé entre le premier et le second échangeur de chaleur 11 et 13 par rapport à la direction d'écoule- ment du fluide de traitement L'échangeur de chaleur 19 est alimenté en fluide moteur à partir de la sortie de l'éjecteur 16, et,après un échange de chaleur avec le fluide de traitement, le fluide moteur est envoyé à la plaque de refroidissement 17 Dans cette disposition, l'échangeur de chaleur 19 réalise un autre refroidisse- ment du-fluide de traitement avant que celui-ci atteigne l'échangeur de chaleur 13, d'o il résulte une diminution de la charge sur l'échangeur de chaleur 13 Cette réduc- tion de charge permet non seulement de réduire les dimen- sions de l'échangeur de chaleur 13, mais elle implique également que l'échangeur de chaleur 13 fonctionne à une pression supérieure Le fluide moteur quittant l'éjecteur 16 est donc également à une pression supérieure que dans l'exemple de réalisation de la Figure 1 et sa température de condensation est élevée de façon correspondante Par conséquent, la différence de température moyenne sera plus grande entre le fluide moteur entrant dans la plaque de refroidissement 17 et le milieu de refroidissement 18, ce qui permettra de réduire également les dimensions de la plaque de refroidissement 17. En outre, comme on va l'expliquer maintenant, dans l'appa- reil représenté sur la Figure 2, l'éjecteur 16 peut bien fonctionner dans les limites de ses performances tout en effectuant le refroidissement du fluide de traitement dé- siré Dans les deux exemples de réalisation décrits plus haut, l'effet de refroidissement d'ensemble de l'appareil est fonction de la quantité de chaleur extraite du fluide de traitement par les différents échangeurs de chaleur les quantités de chaleur relatives extraites par les é- changeurs de chaleur 11 et 13 étant déterminées par l'ef- ficacité ou la coopération de performances (COP) de l'é- jecteur 16 Typiquement, de tels éjecteurs ont une valeur de COP d'environ 0,25 qui signifie que l'échangeur de cha- leur 11 doit extraire un minimum de quatre fois l'énergie thermique déplacée par l'échangeur de chaleur 13. Dans l'exemple de réalisation de la Figure 1, le refroi- dissement est effectué totalement par les deux échangeurs de chaleur 11 et 13 Si, par exemple, on veut refroidir le fluide de traitement de 200 'C à 350 C (comme ce serait le cas pour l'air de charge dans un moteur à allumage par compression, l'échangeur de chaleur 11 devrait alors ré- duire la température du fluide de traitement de 2000 C à 700 C, tandis que l'échangeur de chaleur 13 devrait refroi- dir le fluide de traitement de 700 C à 350 C Cela équivaut en fait à une valeur de COP d'éjecteur de ( 70 35) ô ( 200 70) = 0,27 Cependant, dans l'exemple de réalisation de la Figure 2, le fluide moteur quittant l'éjecteur 16 à une température inférieure à 70 C est uti- lisé dans l'échangeur de chaleur 19 pour refroidir le fluide de traitement dans son passage entre les échan- geurs de chaleur ll et 13 Comme dans l'exemple de réali- sation de la Figure 1, l'échangeur de chaleur 1 l réduit la température du fluide de traitement de 2000 C à 700 C mais maintenant le fluide de traitement a sa température réduite de 700 C à, disons, 600 C par l'échangeur de cha- leur 19 avant de passer jusqu'à l'échangeur de chaleur 13 o il est refroidi de 600 C à 350 C Cela équivaut à une valeur de COP d'éjecteur de ( 60-35) -k ( 200-70)= 0,19, qui est un peu inférieure à celle pour l'exemple de réa- lisation de la Figure 1. Dans une application préférée, l'invention est uti- lisée pour refroidir l'air de charge d'un moteur à allu- mage par compression, auquel cas l'air de charge est en- voyé séquentiellement dans les échangeurs de chaleur avant d'entrer dans la chambre de combustion du moteur La pla- que de refroidissement 17 peut prendre la forme d'une chemise d'eau de moteur, ou bien le milieu de refroidis- sement 18 peut simplement être l'air ambiant Dans une autre application, l'invention est utilisée pour refroi- dir l'air de charge d'un moteur à turbocompresseur, l'air comprimé et chauffé provenant du turbocompresseur passant séquentiellement dans les échangeurs de chaleur comme a- vant Dans un autre exemple, l'invention peut être appli- quée à un compresseur de gaz pour refroidir le gaz avant compression Dans le cas d'un compresseur à plusieurs éta- ges, le gaz entre étages peut être refroidi de cette ma- nière, de sorte que non seulement la quantité de gaz sor- tant du compresseur augmente mais qu'également le gaz con-s primé délivré est plus sec. Dans la description qui précède, le même fluide de trai- tement et le même fluide moteur passent dans les deux é- changeurs de chaleur 11 et 13 L'invention peut cependant être également bien utilisée de sorte que les échangeurs de chaleur refroidissent différents courants de fluide de traitement De plus, on peut fournir différents fluides moteurs aux deux échangeurs de chaleur, auquel cas il se- ra évidemment nécessaire de disposer d'un système de cir- culation séparé pour chaque fluide, et un moyen autre qu'un éjecteur devra être utilisé pour réduire la pres- sion du fluide moteur passant dans l'échangeur de cha- leur 13. il REVENDICATIONS 1 Procédé pour extraire de l'énergie thermique d'une substance, dans lequel la substance est placée dans un rapport d'échange de chaleur avec un premier fluide réfri- gérant de manière à ce que de l'énergie thermique soit ainsi communiquée au premier fluide réfrigérant,et dans lequel la substance ou une autre substance est placée dans un rapport d'échange de chaleur avec un second flui- de réfrigérant, caractérisé en ce que ladite énergie ther- mique communiquée au premier fluide réfrigérant est uti- lisée pour réduire la pression du second fluide réfrigé- rant. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qoe, les fluides réfrigérants étant des liquides,l'énergie ther- mique communiquée au premier fluide réfrigérant permet de l'évaporer ou de le vaporiser, et en ce que le point d'é- bullition du second fluide réfrigérant est abaissé par la réduction de pression. 3 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la même substance ( 15) est re- froidie successivement par le premier et par le second fluide réfrigérant, et en ce que ladite substance est à nouveau placée dans un rapport d'échange de chaleur avec le premier fluide réfrigérant après que l'énergie thermi- que communiquée à ce fluide ait été utilisée comme défini plus haut et/ou avec le second fluide réfrigérant après un échange de chaleur avec ladite substance, en un point ( 19) situé entre les points ( 11,13) o la substance est placée dans un rapport d'échange de chaleur avec le pre- mier et le second fluide réfrigérant, respectivement. 4 Procédé selon l'une quelconque des revendications L à 3, caractérisé en ce que les premier et second fluide réfri- gérant sont le même fluide. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que les premier et second fluide réfrigérant sont four- nis par une source commune ( 10), et en ce qu'après échan- ge de chaleur avec la substance ou avec l'autre substance les fluides réfrigérants sont refroidis avant d'être re- voyés à ladite source. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à , caractérisé en ce que la même substance ( 15) est re- froidie successivement par les premier et second fluide réfrigérant, la substance étant l'air de charge d'un mo- teur à allumage par compression. 7 Appareil pour extraire de l'énergie thermique d'une substance, comprenant un premier échangeur de chaleur dans lequel la substance est placée dans un rapport d'échange de chaleur avec un premier fluide réfrigérant, par le- quel de l'énergie thermique est communiquée au premier fluide réfrigérant, et un second échangeur de chaleur dans lequel la substance ou une autre substance est pla- cée dans un rapport d'échange de chaleur avec un second fluide réfrigérant, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen ( 16) alimenté par l'énergie thermique communiquée au premier fluide réfrigérant et agencé pour réduire la pression du second fluide réfrigérant dans le second é- changeur de chaleur ( 13) - 8 Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que les premier et second fluides réfrigérants sont des liquides. 9 Appareil selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les premier et second fluides a réfrigérants sont le même fluide. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que les fluides réfrigérants sont fournis aux échangeurs de chaleur ( 11,13) à partir d'une source commune pour les refroidir avant d'être renvoyés à la source ( 10). 11 Appareil selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, caractérisé en ce que la même substance ( 15) est refroidie successivement par les premier et second échan- geurs de chaleur ( 11,13) et en ce qu'il comprend un troi- sième échangeur de chaleur ( 19) dans lequel la substance est placée dans un rapport d'échange de chaleur avec le premier fluide réfrigérant après que la chaleur communi- quée à ce fluide ait été utilisée pour alimenter ledit moyen ( 16) et/ou avec le second fluide réfrigérant après échange de chaleur dans le second échangeur de chaleur ( 13), le troisième échangeur de chaleur ( 19) étant dispo- sé entre les premier et second échangeurs de chaleur ( 11, 13) par rapport à la direction d'écoulement de la substan- ce. 12 Appareil selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que ledit moyen servant à réduire la pression du second fluide réfrigérant est constitué par un éjecteur ( 16). 13 Appareil d'un moteur à allumage par compression in- cluant un premier échangeur de chaleur dans lequel l'air de charge du moteur est placé dans un rapport d'échange de chaleur avec un premier fluide réfrigérant, permettant de communiquer de l'énergie thermique au premier fluide réfrigérant, un second échangeur de chaleur dans lequel l'air de charge est placé dans un rapport d'échange de chaleur avec un second fluide réfrigérant, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen ( 16) alimenté par l'énergie thermique communiquée au premier fluide réfrigérant et agencé pour réduire la pression du second fluide réfrigé- rant dans le second échangeur de chaleur ( 13).