Brevet FR2515254A1 — publié le 19830429

Des procédés et des moyens de productisn d'éner- gie utilisant un fluide de travail qui circule dans un circuit fermé sont évidemment bien connus et décrits, par exemple, dans les brevets des Etats-Unis d'stérique nO 2 942 411 , n" 3 152 442 , n" 3 234 73S, nO 3 287 901 , n"3 903 70C , n" 3 995 429, n04 010 732 et t 171 617.Cependant, aucun de ces be- vets ne mentionne une chambre d'évaporation remplie partiellement d'un liquide de travail et à proximité du fond de laquelle un condenseur est plongé dans le liquide de travail, condenseur dans lequel passe pour être condensé un fluide de travail sous forme de vapeur, provenant d'une machine motrice. Le liquide de travail contenu dans la chambre d'évaporation est refroidi au fur et à mesure que sa chaleur est absorbée sous forme de chaleur de vaporisation par le fluide de travail s'évaporant dans ladite chambre. L'invention a pour objet un procédé et un appareil perfectionnés, destinés à produire de l'énergie de façon économique. L'invention a également pour objet une source perfectionnée de production d'énergie qui comporte des moyens de chauffage solaire destinés à chauffer un liquide de travail en circulation, cette source étant peu volumineuse et convenant à la propulsion d'un véhicule. L'invention a également pour objet un systeme de production d'énergie comportant un circuit fermé parcouru par un fluide de travail et dans lequel la chaleur de vaporisation d'un fluide de travail utilisé pour actionner une machine motrice est prélevée du fluide de travail décharge de la machine motrice afin de condenser ce fluide pour accroitre le rendement de fonctionnement. Les objectifs et avantages de l'invention, indiqués ci-dessus, sont obtenus au moyen d'une chambre de vaporisation étanche aux fluides, qui contient un fluide de travail dont une partie est sous la forme d'un liquide remplissant partiellement la chambre. Un fluide d'entraînement à l'état de vapeur est fourni à l'entrée d'une machine motrice, par exemple une turbine. Un condenseur est placé dans le liquide de travail, à l'intérieur de la chambre d'évaporation, à proximité du fond de cette dernière, condenseur dans lequel passe pour être condensée la vapeur de travail afin que la pression de cette dernière, en sortie de la turbine, soit réduite, Le liquide de travail provenant du condenseur est mis en circulation par pompage dans un collecteur d'énergie solaire afin d'être chauffé sans se vaporiser.Le liquide chauffé provenant du collecteur d'énergie solaire est déchargé dans la chambre d'évaporation, au-dessus du liquide de travail que cette dernière contient, afin d'être vaporisé. Le liquide d'entraînement contenu dans la chambre d'évaporation absorbe de la chaleur, cette chaleur étant la chaleur de vaporisation du liquide contenu dans la chambre, de sorte que ce liquide se refroidit, ainsi que le condenseur qu'il recouvre. La turbine peut être utilisée pour la propulsion d'un véhicule ou pour l'entraînement d'une génératrice électrique qui peut être utilisée elle-même pour alimenter un moteur électrique propulsant le véhicule. Le collecteur solaire destiné à chauffer le liquide de travail peut être monté sur le véhicule afin d'être exposé directement à l'énergie solaire. L'invention sera décrite plus en détail en regard du dessin annexé à titre d'exemple nullement limitatif et sur lequel la figure 1 est un schéma de l'appareil de production d'énergie à circuit fermé selon l'invention ; et la figure 2 est une élévation d'unvehicule montrant l'appareil de production d'énergie selon l'invention associé à ce véhicule pour la propulsion de ce dernier. La figure I représente l'appareil de production d'énergie selon l'invention qui comprend une chambre d'évaporation 10 remplie d'un fluide 12 de travail ou d'entraine- ment dont une partie est sous forme liquide afin que la chambre soit remplie partiellement de liquide. On utilise un fluide de travail hautement volatil tel que de 1' ammo- niac, du chlorure de méthyle, du propane, du "-reon" ou autres, ayant un point d'ébullition nettement au-dessous de la température ambiante I1 est évident que l'invention n'est pas limite à l'utilisation des fluides de travail indiqués ci-desus, Selon la température et le fluide utilisés,il est possible d'établir à l'intérieur de la chambre une pression de vapeur de l'ordre de 980 kPa. Un dispositif 14 de condensation est disposé à l'intérieur de la chambre 10 d'évaporation, à proximité du fond de cette dernière, afin de condenser la vapeur de travail provenant d'une machine motrice 16, d'une façon décrite ci-après. La chambre d'évaporation est de préférence bien isolée afin de minimiser la transmission de la chaleur à travers ses parois.De plus, on utilise une chambre relativement profonde afin d'établir une différence maximale de température entre le haut et le bas du liquide de travail contenu dans cette chambre, pour des raisons qui ressortiront ci-après. La machine motrice 16,par exemple une turbine, est alimentée en vapeur ou en gaz de travail, provenant de la chambre 10 d'évaporation, par un conduit 18 qui relie le haut de la chambre à l'entrée de la turbine. Dans le circuit fermé parcouru par le fluide de travail et faisant partie de l'appareil selon l'invention, des flèches en traits pointillés indiquent le sens d'écoulement de la vapeur de travail et des flèches en traits pleins indiquent le sens d'écoulement du liquide de travail. Le fluide de travail vaporisé, provenant de la sortie de la turbine 16, est amené par un conduit 20 au condenseur 14 placé au fond de la chambre d'évaporation et dans lequel la vapeur est refroidie et condensée. Le liquide de travail condensé est mis en circulation par une pompe 22 du condenseur 14 dans un conduit 24 et vers un dispositif 26 de chauffage, représenté, dans ce cas, sous la forme d'un collecteur d'énergie solaire, destine à élever le fluide à une température inférieure au point d'ébullition. Le liquide de travail chauffé est déchargé du collecteur solaire 26 dans la chambre 10 d'évaporation, au-dessus du liquide que cette dernière contient, par un conduit 28, Une valve d'étranglement 30 peut être montée dans le conduit 28, à proximité de la chambre d'évaporation, afin de réduire la pression du fluide déchargé dans cette chambre et de permettre un réglage du débit auquel le fluide arrive dans la chambre d'évaporation.Lorsqu'il est déchargé dans la chambre d'évaporation, le liquide chauffé provenant du collecteur solaire se vaporise, de la chaleur de vaporisation étant transmise du liquide de travail, contenu dans le fond de la chambre, au liquide chauffé de manière à refroidir ledit liquide de travail. En raison de la stratification thermique présente dans la chambre 10, le liquide de travail situé au fond de cette chambre tend à être plus froid, ce qui provoque un refroidissement maximal, par le condenseur 14 placé au fond de la chambre, du fluide déchargé de la turbine. Poûr établir une pression de vapeur maximale à l'intérieur de la chambre 10 d'évaporation, des moyens de chaurfage- nventêtre pTa- cés à proximité de la surface du liquide de travail, à l'intérieur de la chambre. Comme montré sur la figure 1, les moyens de chauffage comprennent un échangeur de chaleur 32, dispos dans la chambre 10 d'évaporation, dans le fluide 12 de travail, à proximité de la surface de ce dernier. L'échangeur de chaleur 32 est alimenté en liquide chauffé de travail provenant du collecteur solaire 26 par l'intermédiaire d'une valve 34. Le fluide sortant de l'échangeur de chaleur 32 est renvoyé à l'entrée de la pompe 22 par un conduit 36 de manière à permettre une circulation de liquide d'entraînement chauffé dans l'échangeur de chaleur 32 lorsque la valve 34 est ouverte. La température de surface du liquide d'entraînement contenu dans la chambre d'évaporation est ainsi élevée afin d'accroître la pression de vapeur à l'intérieur de la chambre.Un élément 38 de commande de valve, qui réagit au signal de sortie d'un capteur 40 de température placé à l'intérieur de la chambre d'évaporation, peut être utilisé pour la commande automatique de la valve 34 en fonction de la température et, par conséquent, de la pression de la vapeur d'entraînement contenue dans la chambre, Lorsque la température de la vapeur de travail diminue la salve 34 s'ouvre davantage pour accroître le débit d'écoulement du liquide d'entratnement chauffé dans l'échangeur de chaleur 32. La puissance à l'arbre de sortie de la turbine peut être utilisée comme souhait8. Dans la forme de réalisation décrite, la turbine 16 représentée entraîne une génératrice 42 de courant électrique. L'énergie nécessaire au fonctionnement de la pompe 22 peut être fournie, par exemple, par un moteur électrique 44 alimenté en courant électrique par la génératrice 42. De plus, la figure 1 représente la sortie de la génératrice reliée à un second moteur électrique 46 qui, comme montré sur la figure 2, peut être utilisé pour la propulsion d'un véhicule. I1 est évident que le circuit électrique peut comprendre une batterie 48 et des moyens associés de régula- tion (non représentés), laquelle batterie est chargée par le courant de sortie de la génératrice pendant le fonctionnement de l'appareil. Bien que le fonctionnement de l'appareil semble évident, il sera à présent brièvement décrit. La température du liquide d'entraînement passant, par pompage, des moyens 26 de chauffage dans la chambre 10 d'évaporation est supérieure à la température du liquide d'entrainement déjà présent dans la chambre à dépression. Le liquide d'entranement est chauffé à la température ambiante ou à une température supérieure par le dispositif 26 de chauffage, représenté dans ce cas sous la forme d'un collecteur d'énergie solaire. La pompe 22 est entraînée par le moteur 44 afin fe faire circuler le liquide de travail dans le dispositif 26 de chauffage, duquel il pénètre dans la chambre 10 d'évaporation sous la pression appliquée par la pompe.Le liquide de travail refoulé dans la chambre 10 d'évaporation est à une température supérieure à celle du liquide de travail contenu dans le fond de la chambre et il se vaporise à son entrée dans la chambre d'evaporation, la chaleur assurant cette vaporisation étant prélevée sur le liquide d'entraînement contenu dans la chambre d'évaporation. Le liquide de travail contenu dans la chambre 10 d'évaporation est donc refroidi, le liquide se trouvant au fond de la chambre tendant à être le plus froid en raison de sa stratification thermique. Le liquide d'entraînement refroidi, contenu dans la chambre, sert à éliminer la chaleur du condenseur 14 placé au fond de la chambre Lorsque la pompe 22 fonctionne, la pression régnant à la sortie de la turbine est également réduite et une pression de vapeur différentielle existe entre l'entrée et la sortie de la turbine qui est ainsi entraînée.La vapeur de travail provenant de la sortie de la turbine arrive au condenseur 14 où elle est condensée, la chaleur de vaporisation passant dans le liquide d'entraînement présent au fond de la chambre 10 d'évaporation. Le liquide de travail est mis en circulation par pompage du condenseur 14 dans le collecteur 26 d'énergie solaire, et le cycle est répété de manière que l'appareil fonctionne en continu. La pompe 22 peut également être utilisée pour faire circuler le liquide de travail chauffé du collecteur 26 d'énergie solaire à travers l'échangeur 32 de chaleur afin de chauffer la surface du liquide d'entraînement continu dans la chambre d'évaporation pour accroître l'évaporation du liquide et élever ainsi la pression de vapeur dans la chambre. La valve 34 est actionnée par une commande automatique en fonction de la température ou de la pression de la vapeur à l'intérieur de la chambre d'évaporation. Un autre procédé ou un procédé auxiliaire de mise en fonctionnement de la source d'énergie consiste à ventiler une certaine partie de la vapeur de travail de la chambre d'évaporation afin de réduire la pression de vapeur régnant dans cette chambre. Comme représenté sur la figure 1, un conduit 50, portant une valve 52, est relié à la partie su périeure de la chambre 10, de manière à permettre une ventilation de la vapeur de travail lorsque la valve 52 est ouverte. Au cours de cette ventilation, la pression est réduite et le liquide d'entraînement s'évapore afin de refroidir le liquide de travail restant dans la chambre.Le condenseur 14 étant à une température inférieure, la pression en sortie de la turbine est redite, Lorsque la valve est refermée, la pression régnant à l'intérieur de la chambre d'evapora- tion revient à une valeur normale pour appliquer une pression de vapeur différentielle à la turbine afin d'entre ner cette dernière, ta pompe 22 est entraînée par le aoter 44 et l'appareil continue de fonctionner de la manière décrite précédemment.Si cela est souhaité, la vapeur de travail arrivant du conduit 40 peut être ventilée dans une autre chambre ou un réservoir (non représenté) dans lequel le vide a été fait précédemment, afin d'empêcher toute perte de vapeur d'entratnement à llatmosphrre Le fluide contenu dans cette chambre ou ce réservoir peut etre renvoyé,par exemple par pompage, dans le circuit actif de l'appareil à circuit fermé une fois que ledit appareil fonctionne. L'appareil de production d'énergie selon l'invention est bien adapté à la propulsion de véhicules et il sera à présent décrit en regard de la figure 2, dans son application à un véhicule 60 équipé de cet appareil. Sur la représentation schématique de la figure 2, la chambre 10 d'évaporation, la turbine 16, le générateur 42, le moteur 46 de traction et la pompe 22 sont montés à l'intérieur du compartiment moteur du véhicule. Le collecteur 26 d'énergie solaire est représenté comme étant monté sur le toit du véhicule, les conduits 24 et 28 reliant le collecteur d'énergie solaire aux éléments correspondants de l'appareil étant représentés comme passant dans les montants du toit afin d'être masqués de la vue normale. L'arbre de sortie du moteur 46 est représenté schématiquement comme étant relié par des moyens mécaniques 62 aux roues avant du véhicule. Pour plus de clarté, les autres éléments de l'appareil ne sont pas représentés sur la figure 2. I1 va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, d'autres moyens de chauffage peuvent être utilisés à la place ou en plus de ceux représentés pour chauffer le liquide de travail afin de le transformer en vapeur. Par exemple, il est possible d'utili- ser des moyens de chauffage électriques.En variante, de l'air ambiant peut être mis en circulation dans un échangeur de chaleur tel que l'échangeur de chaleur 32 représenté, afin de chauffer la surface du liquide d'entraînement contenu dans la chambre d'évaporation, De plus, l'échangeur de chaleur 32 peut comporter un élément supérieur ou capot transmettant la lumière et disposé de manière à recevoir la lumière du soleil pour produire un chauffage supplémentaire de la surface du liquide 12 d'entraînement à l'intérieur du réservoir. Un collecteur d'énergie solaire ou tout autre moyen de chauffage peut également être monté dans le conduit 18 pour chauffer davantage le fluide d'entraînement arrivant à la turbine. REVENDICATIONS 1. Appareil de production d'énergie à circuit fermé, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre 10 d'évaporation qui contient un fluide (12) d'entraînement à l'état liquide et à l'état de vapeur, une machine motrice (16), un conduit (18) qui dirige- le fluide d'entraînement à l'état de vapeur de la chambre d'évaporation vers la machine motrice, un condenseur (14) placé dans le fluide d'entraînement, à l'état liquide, à l'intérieur de la chambre d'évaporation, un conduit (20) qui dirige la vapeur déchargée de la machine motrice vers le condenseur afin de la refroidir et de la condenser, des moyens (26) de chauffage du fluide, des moyens (22) de pompage du liquide d'entraînement du condenseur vers les moyens de chauffage afin de chauffer le liquide d'entraînement, et un conduit(28)qui fait passer le liquide d'entraînement chauffé des moyens de chauffage dans la chambre d'évaporation, à proximité du haut de cette chambre, afin de vaporiser dans cette dernière le liquide d'entraînement chauffé. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la machine motrice comprend une turbine (16) et en ce que les moyens de chauffage du fluide peuvent notamment comprendre un collecteur (26)d'énergie solaire destiné à chauffer le fluide d'entraînement en utilisant les rayons du soleil. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conduit faisant passer le liquide d'entraînement chauffé des moyens de chauffage dans la chambre d'évaporation comporte une valve (30) à étranglement destinée à réduire la pression du fluide d'entraînement déchargé dans la chambre d'évaporation. 4. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une génératrice électrique (42) entraînée par la machine motrice, un moteur électrique (46) alimenté en courant fourni par la génératrice, un véhicule (60) comportant au moins une roue motrice, et des moyens (62) qui relient l'arbre du moteur à la roue motrice afin de propulser le véhicule. 5, Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un élément chauffant (14) disposé à l'intérieur de la chambre d'évaporation afin de chauffer la surface du liquide d'entraînement contenu dans cette chambre et d'accroître la pression du fluide d'entraînement à l'état de vapeur dans la chambre d'évaporation. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément chauffant placé à l'intérieur de la chambre d'évaporation comprend un échangeur de chaleur t32) alimenté en liquide d'entraînement chauffé provenant des moyens de chauffage de fluide. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (34, 38, 40) de commande de l'alimentation de l'échangeur de chaleur en liquide d'entraî- nement chauffé, en fonction de la température du fluide d'entraînement à l'état de vapeur contenu dans la chambre d'évaporation. 8. Procédé de production d'énergie au moyen d'un appareil de production d'énergie à circuit fermé comprenant une machine motrice (16) parcourue par un fluide d'entraînement fournissant une certaine puissance à l'arbre de cette machine, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à faire passer un fluide d'entraînement vaporisé d'une chambre (10) d'évaporation, contenant un fluide (12) d'entraine- ment à l'état liquide et à l'état de vapeur, dans une turbine (16) pour entraîner cette dernière, à faire passer le fluide d'entraînement vaporisé, sortant de la turbine, dans un condenseur (14) placé dans le liquided'entrainement contenu dans la chambre d'évaporation, de manière à condenser la vapeur, à faire passer le fluide d'entraînement condensé du condenseur dans un dispositif (26) de chauffage afin d'élever la température du liquide d'entrainement, et à décharger le liquide d'entraînement chauffé du dispositif de chauffage dans la chambre d'évaporation, au-dessus du niveau du liquide de travail contenu dans cette chambre, afin de vaporiser le liquide ainsi déchargé. 9, Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le fluide d'entraînement condensé est mis en circulation de manière à passer dans un collecteur (26) d'énergie solaire qui le chauffe avant que ce liquide soit déchargé dans la chambre d'évaporation. 10. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il consiste à faire passer le liquide d'entraînement chauffé du dispositif de chauffage dans un échangeur(32) de chaleur placé à l'intérieur de la chambre d'évaporation, à proximité de la surface du liquide de travail contenu dans cette chambre, afin de chauffer ladite surface du liquide de travail.