Brevet FR2516215A1 — publié le 19830513

La présente invention a pour objet un dispositif de production d'énergie thermique par détente d'un fluide sous pression. I1 est connu que la détente d'un fluide sous pression dégage de la chaleur, c'est-à-dire que l'énergie latente du fluide comprimé peut se transformer par détente de celui-ci en énergie calorifique par perte brusque du gradient de pression. Ce phénomène a été étudié en particulier par Bernoulli et par Borda-Eellanger qui ont établi des théorèmes, d'après lesquels une perte de pression brusque engendre une perte de puissance se traduisant par l'apparition d'énergie calorifique. L'invention a pour but de mettre à profit ce phénomène pour récupérer l'énergie thermique dégagée afin de l'utiliser par exemple dans une installation de chauffage central, d'habitation ou de production d'eau chaude sanitaire, la mise sous pression du fluide étant obtenue de préférence à partir d'une énergie renouvelable telle que celle du vent. Suivant l'invention, le dispositif de production d'énergie thermique comprend un corps dans lequel est aménagée une chambre d'entrée du fluide sous pression, à l'intérieur de laquelle est disposé un organe d'étranglement-du passage du fluide, remplissant presque complètement cette chambre en n' autorisant le fluide à traverser celle-ci que par un passage de très faible section autour dudit organe étrangleur, et la chambre d'entrée communique avec une chambre de sortie du fluide détendu et chauffé, adaptée pour etre reliée à une canalisation de retour du fluide et de récupération de son énergie thermique. Le fluide, par exemple de l'huile, est amené sous haute pression, par exemple 700 bars environ,à l'entrée de la chambre, où il est d'abord arrêté par l'organe étran gleur qui fait office d'obturateur, à l'exception du passage précité de très faible section, etest-à-dire de de l'ordre de quelques microns, dans lequel le fluide pénètre progressivement en se détendant et en se réchauffant. Lorsque le passage entre la paroi de la chambre d'entrée et l'organe étrangleur est traversé, le fluide est à une pression nulle et son énergie latente de compression s'est transformée en énergie calorifique. Cette énergie calorifique peut alors être acheminée jusqu a un échangeur de chaleur ou elle est transmise à un autre fluide ,tel que par exemple l'eau d'une installation de chauffage central dans une habitation. Suivant une particularité de l'invention, l'organe étrangleur est sollicité élastiquement en butée contre l'ouverture d'entrée de la chambre par un moyen de rappel élastique réglable en fonction de la charge hydraulique. Suivant une forme de réalisation de l'invention, l'organe étrangleur est relié, par une conduite de fluide sous pression, à une pompe hydraulique entraînée par une éolienne ou par un moteur électrique, et la chambre de sortie communique avec une canalisation qui traverse un échangeur de chaleur susceptible de transmettre la chaleur du fluide détendu à un autre fluide tel que de l'eau notamment pour une installation de chauffage central ou d'eau chaude sanitaire, après quoi la canalisation de sortie rejoint la pompe où le fluide -détendu est remis sous pression et recyclé. De préférence, la source d'énergie actionnant la pompe est une éolienne, plutôt qu'un moteur électrique, car l'utilisation du vent présente l'avantage évident d'entre constamment renouvelable et gratuite. De plus, les absences de vent totales sont extrêmement rares et cette source d'énergie fonctionne aussi bien de jour que de nuit, contrairement à l'énergie solaire, ce qui garantit un fonctionnement sans interruption du dispositif. La puissance développée par la pompe, donc la pression du fluide,dépend bien entendu de la vitesse du vent. Ainsi, une éolienne pour vent moyen peut être installée dans un site dont la vitesse du vent moyenne annuelle est de 5 m/s, où les vents dépassent 7,5 m/s environ 2000 heures par an. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels on a représenté une forme de réalisation non limitative du dispositif selon l'invention. - La figure 1 est une vue en elévation schématique d'un dispositif de production d'énergie thermique par détente d'un fluide sous pression installé dans une maison d'habitation, la pompe d'alimentation du fluide sous pression étant actionnée par une éolienne. - La figure 2 est une vue schématique à échelle agrandie du système d'étranglement du passage du fluide et de l'échangeur de chaleur auquel ce système est relié, dans le dispositif illustré à la figure 1. - La figure 3 est une vue en coupe axiale avec arrachements à grande échelle, d'un mode de réalisation du système d'étranglement assurant la détente et l'échauffement du fluide sous pression, dans le dispositif des figures 1 et 2. - La figure 4 est une vue en coupe transversale suivant IV-IV de la figure 3. - La figure 5 est une vue en coupe axiale prise dans la chambre de sortie suivant V-V de la figure 3. - La figure 6 est un diagramme montrant la variation de la longueur du passage d'étranglement en fonction du débit de fluide et de la viscosité de celui-ci. On a représenté schématiquement à la figure 1 une maison d'habitation 1 équipée d'un dispositif de production d'énergie thermique par détente d'un fluide sous pression, comprenant tout d'abord une éolienne 2-montée sur le fate du toit et qui est accouplée à une pompe 3 d'un type connu en soi. La pompe 3 est reliée par une canalisation d'alimentation en fluide sous pression 4 à un système étrangleur 5 agencé pour détendre le fluide jusqu a une pression nulle. Ce système étrangleur 5 communique avec un échangeur de chaleur 6 traversé par une canalisation 7 contenant le fluide rechauffé et à pression nulle, qui ramène le fluide jusqu'à la pompe 3 dans laquelle il est remis sous pression et recyclé. L'échangeur de chaleur 6 contient par exemple de l'eau 8 (figure 2) qui arrive dans l'éehangeur par une tuyauterie 9 et en repart par une tubulure Il après avoir reçu l'énergie thermique du fluide s'écoulant dans la canalisation de sortie 7. L'eau 8 peut alimenter par exemple une installation de chauffage central de l'habitation 1, ou encore fournir de l'eau chaude sanitaire. On décrira maintenant en se référant aux figues 3 à 5, le système étrangleur 5 qui fait plus particulièrement l'objet de l'invention. te système étrangleur 5 comprend un corps 12 dans lequel est aménagéeune chambre d'entrée 13 du fluide sous pression, à l'intérieur de laquelle est disposé un organe étrangleur 14 assurant l'étranglement du passage du fluide entre lui-même et la paroi de la chambre 13. A cet effet, l'organe étrangleur 14 remplit presque complètement la chambre 13 en n'autorisant le fluide à traverser celle-ci que par un passage 15 de très faible section autour dudit organe 14.Ce dernier, qui est de forme générale cylindrique de révolution ainsi que la chambre 13 dans l'exemple représenté, est donc dimensionné par rapport à la chambre 13, pour laisser entre la paroi de celle-ci et sa périphérie le passage annulaire 15 qui en pratique peut avoir une largeur de l'ordre de quelques microns, et a été délibérément agrandi sur la figure 3 pour une meilleure compréhension du dessin. L'organe étrangleur 14 présente une série de gorges périphériques 16 parallèles entre elles, et qui sont donc remplies par le fluide lorsque celui-ci s'écoule autour de l'organe étrangleur 14. La chambre d'entrée 13 communique avec la canalisation d'alimentation 4 par un perçage fileté 17 destiné à recevoir l'extrémité de la canalisation 4. La chambre 13 se termine,de l'autre csté de l'organe étrangleur 14, par un compartiment 18 qui communique avec une chambre de sortie 19 du fluide, débouchant dans l'alésage taraudé 21 d'un bouchon 22 de fermeture, vissé dans le corps 12 et adapté pour recevoir l'extrémité de la canalisation de sortie 7. La chambre de sortie 19 est disposée à angle droit avec la chambre d'entrée 15. Suivant une particularité de l'invention, organe étrangleur 14 est sollicité élastiquement en butée contre un siège tronconique 23 formé dans le corps 12, coaxialement au trou taraudé 17. A cet effet, la tête de l'organe 14 présente un épaulement annulaire 24. te rappel élastique de l'organe étrangleur 14 contre le siège 23 est assuré par un ressort hélicoïdal 25 réglable en fonction de la pression du fluide entrant dans la chambre 13. te ressort 25 prend appui contre un bouchon 26 fileté, pouvant etre vissé à l'intérieur du corps 12 coaxialement à la chambre cylindrique 13, le compartiment 18 présentant un taraudage 27 à cet effet. te bouchon 26 est pourvu d'un doigt 28 introduit coaxialement à l'intérieur du ressort 25 et assurant son maintien en place. Le ressort 25 prend appui au fond d'une gorge 29 ménagée dans le bouchon 26 autour du doigt 28, et vient s'eneastrer dans un logement 31 de l'organe étrangleur 14, en exerçant sur le fond de ce logement une poussée axiale dirigée en sens inverse de la poussée du fluide sous pression contre l'organe 14. Le bouchon 26 est équipé d'un bouton de manoeuvre 32, vissé sur l'extrémité du bouchon 26 avec interposition entre ce dernier et le bouton 32 d'une bague 33; des joints d'étanchéité 34 sont en outre intercalés, d'une part entre le bouton 32 et la bague 33, et entre cette dernière et le corps 12. La rotation du bouton 32 et du bouchon 26 permet de régler la poussée du ressort 25 contre l'organe étrangleur 14, et par conséquent la force avec laquelle ce dernier est maintenu en butée contre le siège annulaire 23, en fonction de la pression du fluide d'alimentation. A l'intérieur de la chambre de sortie 19 est prévu un passage à chicanes pour le fluide détendu et réchauffé, réalisé dans l'exemple illustré à la figure 3 au moyen de deux pièces 35 à cloisons transversales 36 parallèles, intercalées les unes entre les autres en délimitant entre elles un trajet en chicanes. Le fonctionnement du système étrangleur 5 et du dispositif dont il fait partie est le suivant. Le fluide sous pression provenant de la pompe 3 entraînée par l'éolienne 2, par exemple de l'huile à 700 bars, entre dans le système étrangleur 5 par l'alésage 17, repousse légèrement l'organe étrangleur 14 en l'écartant de son siège 23 jusqu'à ce qu t un équilibre s'établisse, puis s 'écoule dans le passage annulaire 15 en se détendant et en se réchauffant jusqu'au compartiment 18. De là, le fluide à pression nulle et réchauffé s'écoule dans la chambre de sortie 19 en parcourant le trajet en chicanes entre les cloisons 36, puis est recueilli dans la canalisation de sortie 7. Dans l'échangeur de chaleur 6, le fluide cède son énergie thermique au fluide 8 remplissant ledit échangeur, puis retourne par la canalisation 7 à la pompe 3 dans laquelle il est remis sous pression et recyclé vers le système étrangleur 5. te fluide 8 sort de l'échangeur 6 par la conduite 11, d'où il peut etre acheminé jusqu'à l'utilisation prévue, par exemple l'installation de chauffage central de l'habitation, ou de production d'eau chaude sanitaire ou toute autre application prévue. te fluide 8 est constamment renouvelé dans l'échangeur 6 par un fluide à basse température arrivant par la canalisation 9. On réalise ainsi une installation de production d'énergie calorifique à partir d'une énergie de préférence renouvelable, telle que celle fournie par l'éolienne 2. il faut toutefois noter que celle-ci pourrait etre remplacée par une autre source d'énergie appropriée, telle qu'un moteur électrique entraînant la pompe 3. Toutefois, cette solution ne présenterait pas, au point de vue du bilan énergétique, l'avantage lié à l'utilisation d'une énergie gratuite et renouvelable telle que l'énergie éolienne. A titre d'exemple numérique indicatif, le débit peut être par exemple Q = 0,6 l/mn -10 em3/s, et le gradient de pression A P = 700 bars. On montre alors aisément, à partir de ces données, que la puissance à installer est P = 0,736 kW. Pour ce faire, on peut utiliser une éolienne appropriée, par exemple à 3 pales, ayant une puissance motrice de 807 Watts par un vent de 7m/s, le diamètre de l'hélice étant 3,10 m. En fonction de ia vitesse du vent, la puissance de l'éolienne varie -alors entre 64 W par un vent de 3 m/s et 1716 W par un vent de 9m/s. Pour un débit Q = 0,01 l/s et une pression P = 700 bars, on montre aisément que la perte de puissance 21, P = Q x P = 0,93 CV ce qui correspond à une énergie calorifique de 0, 163 cal/s, c'est-à-dire à une élévation de température de P = 0,163/0,01 = 16,3 OC, Le diagramme de la figure 6 montre deux courbes A et E de variation de la longueur d de l'étranglement 15 en fonction du débit Q de fluide sous pression, en cm3/mn. La courbe A correspond à une température de 200C et à une viscosité de 23 centipoises, tandis que la courbe E correspond à une température du fluide de 500C, et à une viscosité de 12 centipoises. L'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite et peut recevoir de nombreuses variantes d'exécution. Ainsi, l'organe étrangleur 14 et la chambre d'entrée peuvent être réalisés avec une géométrie différente, et le trajet en chicanes dans la ehambre de sortie 19 peut être réalisé de toute autre manière équivalente, de même que le moyen de rappel élastique de 11 organe étrangleur 14. Au lieu d'utiliser de l'huile comme fluide caloporteur, on pourrait utiliser des gaz appropriés. Enfin, l'invention est susceptible de recevoir des applications diverses, notamment en plus de celles déjà mentionnées, en agriculture pour arroser avec de l'eau chaude ou tiède, la pompe étant branchée sur la prise de force d'un tracteur. te dispositif selon l'invention peut également être mis en oeuvre pour assurer le ré chauffe- ment de l'eau du moteur d'un véhicule. te rendement énergétique du dispositif visé par l'invention est très élevé, puisqu'il est de l'ordre de 0,97. On notera que le ressort 25 peut ne pas être encastré dans l'organe étrangleur 14, mais simplement exercer sa poussé sur l'extrémité de ce dernier. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de production d'énergie thermique par détente d'un fluide sous pression, caractérisé en ce qu'il comprend un corps (12) dans lequel est aménagée une chambre d'entrée (13) du fluide sous pression, à l'intérieur de laquelle est disposé un organe (14) d'étranglement du passage du fluide, remplissant presque complètement cette chambre (13) en n'autorisant le fluide à traverser celle-ci que par un passage (vis) de très faible section autour dudit organe étrangleur (14), et la chambre d'entrée communique avec une chambre de sortie (19) du fluide détendu et chauffé, adaptée pour être reliée à une canalisation (7) de retour du fluide et de récupération de son énergie thermique. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe étrangleur (14) est sollicité élastiquement en butée contre l'ouverture d'entrée de la chambre (13) par un moyen (25) de rappel élastique réglable en fonction de la pression du fluide entrant dans la chambre (13). 3 - Dispositif selve l revendication 3, caractérisé en ce que le moyen de rappel élastique est un ressort (25) prenant appui contre un bouchon (26) susceptible d'entre vissé à l'intérieur du corps (12), dans l'axe de la chambre d'entrée (13), et encastré d'autre part dans l'organe étrangleur (14) en exerçant sur ce dernier une poussée réglable. 4 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que organe étrangleur (14) est cylindrique et présente des gorges périphériques (16) parallèles entre elles, qui sont remplies par le fluide lorsque ce dernier s'écoule en se détendant entre la paroi de la chambre d'entrée (13) et l'organe étrangleur (14). 5 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la chambre de sortie (1.9) contient un passage à chicanes pour le fluide détendu et réchauffé, réalisé notamment au moyen de deux pièces (35) à cloisons transversales parallèles (36) intercalées les unes entre les autres. 6 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'organe étrangleur (14) est relié, par une conduite (4) de fluide sous pression, à une pompe (3) entrainée par une éolienne (2) ou un moteur, et la chambre de sortie (19) communique avec une canalisation (7) qui traverse un échangeur de chaleur (6) susceptible de transmettre la chaleur du fluide détendu à un autre fluide tel que de l'eau notamment pour une installation de chauffage central ou d'eau chaude sanitaire, après quoi la canalisation de sortie (7) rejoint la pompe (3) où le fluide détendu est remis sous pression et recyclé.