Brevet FR2547399A1 — publié le 19841214

On sait que le rendement thermique # 7 OU coefficient de performance d'une pompe 3 chaleur est le rapport de la chaleur obtenue Q à l'énergie mo trice W dépensée pour actionner celle-ci,soit,en unités adaptées, g = JQ /W D'après la théorie et la technique conventionnelles, ce rendement ne saurait être supXrieur à l'inverse du rendement Carnot Rc défini par les températures extrêmes Toet T, de fonctionnement de la pompe à chaleur, soit # # 1/Rc I1 va de soi qu'il serait souhaitable de dépasser cette limitation, ne serait-ce qu'en raison de l'augmentation de rentabilité de 5 pompes à chaleur qui en rdsulterait. Mais un tel résultat aurait une portée beaucoup plus considérable . En effet, en posant d > 1/Rc ce qui peut s'écrire # Rc > 1 relation qui sera désignée par " condition (1) " dans ce qui suit, il devient possible d'obtenir de l'énergie motrice aux dépens de l'énergie thermique des éléments naturels c'est b dire aux dépens de la chaleur ambiante terrestre. La conversion de chaleur ambiante en énergie motrice a été considérée jusqu'à ce jour comme utopique bien qu'il n'existe en thermodynamique aucune démonstration de son impossibilité. L'élément décisif en serait une pompe à chaleur remplissant la condition (1) comme cela sera démontré plus loin. Or la conversion dont il s'agit est la propriétX spécifique de la déten- te isothermique d'un gaz parfait maintenu b la température ambiante.Le travail gui en résulte est le produit exclusif de l'énergie thermique interne U de la source de chaleur au contact de Laquelle ce gaz conserve satempérature constante. En conséquence, la présente invention a pour objet une pompe à chaleur à haut rendement remplissant la condition (1). Elle vise en outre l'association de ce type de pompe 3 chaleur aveo une machine thermique motriceen vue d'obtenir la conversion de chaleur ambiante en énergie utilisable. La pompe b chaleur objet de l'invention est du type " machine å air c'est à dire qu'elle utilise comme fluide actif un gaz pratiquement parfait tel que l'air - ou tout autre gaz. Elle est essentiellement caractérisée par l'in- troduction, dans son mXcanisme, d'un moteur å détente isothermique dont l'6ner- gie vient en diduction de l'énergie motrice nécessaire b l'actionner de manière à obtenir le cycle de transformations suivant : a) Compression adiabatique. b) Iransfert de la chaleur de compression au milieu utilisateur par un échangeur de températures qui ramène le gaz à sa température initiale c) Détente isothermic,ue = Selon une de ses modalités préférées de réalisation l'invention prévoit également des moyens pour réaliser un moteur b détente isothermique.Ce dernier est essentiellement caractérisé par le fait que la chambre à volume variable dans laquelle s'effectue la détente d'un moteur à gaz se compose d'un soufflet métallique dont les replis sont conditionnés pour l'obtention d'une grande surfa ce de contact favorisant les échanges de chaleur par convection et dont le con tenu gazeux est maintenu à température substantiellement constante, égale à la température ambiante extérieure,par un moyen tel que soufflerie ou circula tion d'eau agissant de l'extérieur. En particulier, la paroi à replis de ce soufflet peut être réalisée par l'empilage d'une pluralité d'anneaux minces et flexibles,obtenus à partir de disques d'u n métal très bon conducteur de la chaleur,percés d'un orifice cen tral et soudés les uns aux autres alternativement par leurs périphéries internes et externes. L'orifice central est d'un diamètre faible par rapport au grand diamètre, tout au plus égal au tiers de ce dernier, de manière à favoriser au maximum la turbulence du gaz introduit, lui assurant ainsi le meilleur con tact thermique avec la paroi plissée. La chambre expansible ainsi formée est munie de deux fonds, l'un fixe formant culasse et comportant un système de distribution à soupapes, l'autre mobile actionnant un embiellage. Ce moteur est accouplé mécaniquement avec le compresseur et son couple moteur vient en déduction du couple que doit fournir le moteur principal d'entrainement de la pompe à chaleur. L'invention vise enfin un convertisseur de chaleur ambiante en énergie motrice essentiellement caractérisé par l'association d'une pompe à chaleur du type qui vient d'être décrit et d'une machine thermique à rendement suffisant et autrement quelconque utilisée en moteur. La première alimente en chaleur la seconde qui, réciproquement, lui fournit de l'énergie motrice. Notamment, ces deux machines ont pour source froide commune l'énergie thermique interne d'wn élément naturels la température ambiante. La pompe à chaleur transmet la chaleur de compression de son gaz actif au fluide actif de la machine motrice par un échangeur de températures. Selon un mode de réalisation préféré l'invention prévoit, en particulier, d'utiliser pour cette combinaison une machine à vapeur. L'invention sera de toutes façons bien comprise en se référant à la description qui suit d'une de ses formes de réalisation donnée à titre d'exemple non limitatif ainsi qu'aux dessins qui l'illustrent. La figure 1 représente schématiquement une pompe à chaleur conforme à 1 invention. La figure 2 représente schématiquement, en coupe les détails essentiels d'un moteur à détente isothermique objet de l'invention La figure 3 représente schématiquement une machine à vapeur susceptible d'être branchée aux sorties A,B de la pompe à chaleur. La figure 4 est un diagramme destiné à illustrer la théorie de la pompe à chaleur. Dans le circuit 1 , figure 1 , de la pompe à chaleur,se trouvent successivement un compresseur adiabatique C , la tubulure primaire 2 d'un échangeur de chaleur, associée à une tubulure secondaire 3 dont les sorties sont indi quées A,B, un réservoir 4 d'air comprimé et, enfin, un moteur D,à détente isothermique fonctionnant à l'air comprimé. L'air sec constituant un gaz pratiquement parfait, la présente description fait état de ce gaz comme fluide actif de la pompe à chaleur mais il va de soi que tout autre gaz équivalent peut être utilisé. L'échangeur de chaleur fonctionne de manière classique par échange des températures des fluides circulant dans les tubulures 2 et 3 à contre sens, coml'indiquent les flèches. De l'air chaud entre à la température T, dans le tubu lure 2 pour en ressortir à la température To+ voisine de T,. Le fluide du circuit d'utilisation entre dans la tubulure 3 à la température TD pour en ressortir à celle T,- s , voisine de T,. Les deux tubulures sont concentriques et isolées contre les pertes extérieures. Si leur longueur est suffisante et la conductibilité de la tubulure intérieure 3 optimale, l'écart constant des températures nomme " température de transfert " est relativement faible et peut être négligé dans les calculs théoriques.Les fluides ont alors échangé leurs températures si leur débit a été convenablement réglé en fonction de leurs capacités calorifiques. L'invention reposant sur la pratique de la détente isothermique, le moteur D ,dont les détails essentiels sont représentés figure 3 ,en est l'élément principal, nommé dans ce qui suit " moteur isothermique " . I1 est bien précisé qu'on ne sortirait pas du cadre général de l'invention en utilisant un moteur isothermique de construction quelconque. Toutefois, l'obtention de la détente isothermique d'un gaz pose un problème technique dont l'invention propose une solution . En effet, dans un cylindre à piston, le gaz se détend sans turbulenc et une partie importante de sa masse n'entre pas en contact avec les parois ave lesquelles il n'échange que peu de chaleur.La courbe de détente se rapproche de l'adiabatique donc le gaz se refroidit. Pour éviter cela, il importe^d'augmenter la surface d'échange de chaleu et de faire en sorte, gr3ce à une certaine turbulence provoquée, que toutes les molécules aient rencontré une paroi conductrice de la chaleur.Pour supprimer toi artifice, il suffirait d'envisager un moteur très lent mais sa lenteur serait prohibitive, En conséquence, l'invention prévoit de remplacer cylindre et piston paI un soufflet. Cette technique ancienne est connue en soi dans maintes applicatic mais la disposition inventive proposée repose sur l'utilisation des replis dela paroi du soufflet convenablement dimensionnés pqur favoriser à la fois la turbulence et l'importance de la surface d'échange, pourvu que celle ci soit formée d'un matériau bon conducteur de la chaleur.Ainsi que le montre la figure 2 la chambre d'expansion de l'air comprimé est constituée par une sorte d'accordéon métallique composé d'éléments annulaires tels que 5 d'un métal mince et flexible,soudés alternativement sur leurs périphéries extérieure et intérieure. Afin de favoriser l'effet requis, le diamètre d intérieur des éléments annulaires est relativement réduit par rapport à leur diamètre extérieur, le tiers ou moins. Cette chambre est fermée,à une extrémité,par une culasse 6 et,à l'autre, par un fond mobile 7 solidaire d'une tige à crosse 8 , guidée par une glissière 9 et sur laquelle s'articule une bielle 10 actionnant le maneton 11 de l'arbre moteur 12 . Une soufflerie 13 assure la constance de la-température de la paroi du soufflet.On peut aussi utiliser à cet effet une circulation d'eau. La culasse 6 comporte un système de distribution à soupapes comprenant une entrée d'admission 14 commandée par une soupape 15 et une sortie d'échappement 16 commandée par une soupape 17. La commande de la soupape d'admission 15 est telle que l'air admis à chaque temps se limite au volume référencié v,, figure 4,de manière à se détendre selon l'isotherme asc et occuper le volume vO à sa pression minimale p,, ayant été introduit à la pression initiale p,. Quant à la soupape d'échappementl7,elles'ouvre au bon moment, dès que la chambre en accordéon commence à se rétracter, ce qui a pour effet de vider cette dernière de l'air détendu . La pression minimale p0peut:correspondre à la pression atmosphérique bien que ce ne soit pas une obligation théorique. Pratiquement cela présente l'avantage de pouvoir mettre un point du circuit à l'air libre pourvu qu'il se trouve en ce point un système de protection de l'air intérieur contre l'humidité. On peut encore disposer la pompe à chaleur dans un caisson étanche, afin de l'entourer d'air sous pression de manière à augmenter la masse calorifique mise en oeuvre et compenser ainsi la faible chaleur spécifique de ce gaz.Mais toutes ces dispositions sont l'affaire de la technique de réalisation et ne sont pas visées par la présente invention Ce moteur isothermique constituant un dispositif récupérateur d'énergie, il se trouve accouplé par un système de transmission non représenté au compresseur C de telle sorte que conformément au bût de l'invention l'énergie motrice à fournir audit compresseur soit diminuée d'autant. On précise que le moteur isothermique D est une machine lente et volumineuse et qu'il est difficile d'envisager que son arbre 13 soit commun avec celui du compresseur C Les sorties A,B de la tubulure secondaire de l'échangeur peuvent être branchées sur un circuit d'utilisation quelconque contenant un fluide approprié. I1 est également loisible, pour le chauffage de locaux, de remplacer l'échangeur par un ou plusieurs convecteurs introduits dans le circuit primaire. Mais, l'objectif essentiel de l'invention consiste à associer cette pompe à chaleur à une machine thermique motrice dont elle constitue la source chaude,la source froide commune étant un élément naturel à la température ambiante. En effet, en mettant en oeuvre des machines très bien construites, ayant de très bons rendements réels , il peut être possible de conserver la condition (1) avec ces rendements réels,soit 1 Comme cela sera démontré plus loin, un gain d'énergie motrice en résulte aux dépens de l'énergie interne U de la source froidewet le dispositif peut fonctionner tout seul, en accouplant la pompe à chaleur à la machine motrice. Il n'y a là aucune infraction à la loi de la conservation de l'énergie sachant que le premier principe ou principe d'équivalence n'impose aucune limitation à la transformation en travail mécanique d'une quantité de chaleur obtenue aux dépens de l'énergie interne d'une source de chaleur. On a simplement dU = dQ - dW (2) Les faibles variations de températures et de pressions mises en oeuvre dans ie présent système permettent de s'en tenir à l'hypothèse d'un gaz parfait pour en raire la théorie Or, ainsi qu'il ressortira des calculs qui suivent si les lois des gaz parfaits respectent le premier principe, elle ne respectent pas le sacond dans certains cas où intervient la détente isothermique. Les entrée et sortie A,B de l'échangeur de la figure 1 sont reportées en figura 3 où elles se trouvent prolongées par le circuit 19 d'une machine à vapeur . Celle-ci comporte à la manière classique, un bouilleur évaporateur représenté par un ballon 20 dans lequel le fluide actif passe de l'état liquide à l'état gazeux à la température T,- E voisine de , La vapeur ainsi formée actionne le moteur M puis se refroidit dans le condenseur 21 qui la ramène à la température ambiante Tc. Le liquide reformé est réintroduit à l'entrée 0 dans l'échangeur par une pompe 22 La théorie de ce dispositif est la suivante En se reportant au diagramme de la figure 4 , on voit que le travail rdU compresseur C est proportionnel à l'aire p,b a pO représentant une compres son adiabatiqueXselon la ligne ab suivie d'un travail de refoulement à pression p,constante,compte tenu de la capacité relativement grande du réservoir 4. Au cours de ce rafoulement,l'air se refroidit dans l'échangeur,canalisation 2 puis va dans le réservoir 4 à la température To+ @ très voisine de To. Dans ce qui suit, on considère la quantité E comme négligeable.Les symboles Cp,Cv désignent les deux chaleurs spécifiques d'un gaz parfait à pression et volume cons tants , leur rapport &gamma; = Cp/Cv valant 1,41 pour l'air.D'autre part, il est commode d'utiliser le rapport k = T@/To, supérieur à 1 , dans les calculs. La compression adiabatique s'effectuant sans échange de chaleur avec l'extérieur, travail et chaleur produite sont équivalents; on a Wc = JCp(T,- To), soit, en tenant compte de k Wc = JCpTo(k-l) (3) tandis que la chaleur produite,ayant pour valeur Q = CpT(k-l),peut être considérée comme intégralement transférée à la machine motrice M en négligeant E Le travail produit par le moteur isothermique D et restitué au compresseur est proportionnel à l'aire p,b a Po, engendrée par une détente isothermique selon le segment ac d'une hyperbole équilatère. L'opération représente un travail dont la valeur s'exprime par la relation Wi = PoVoLog v/v, soit encore Wi = RTo Log vO/v, .Sachant que d'après la loi de Mayer , R = J(Cp-Cv), ce qui peut s'écrire R = JCp(&gamma;-1),et que (vo/v@)###= k , il vient finalement, Wi = JCpToLog k (4) Par suite, le travail moteur à fournir pour actionner la pompe à chaleur est proportionnel à l'aire en forme de triangle curviligne a b c et est la différence Wc-Wi soit Wp = JCpTo(k-l-Logk) (5) Puisque Wc est l'équivalent mécanique de la chaleur abandonné? à 1'é- changeur par la pompe à chaleur, le coefficient de performance de celle-ci est:: d k-l-Logk 1 - Logk/(k-l) (6) Compte tenu de la valeur du rendement Carnot Rc - (k-l)/k, le produit p Rc prend la forme d'une fonction de k suivante k-1 f(k) = # Rc = k( 1 - logk/(k-1)) Cette fonction prend la valeur 2 pour k = 1 et tend vers celle 1 lorsque k tend vers l'infini. Pour les faibles écarts de températures,#T=T1-T0, elle reste voisine de 2 et ce, jusqu'd AT = 100 degrés, environ . En posant 1 # Rs.f(k) la quantité Rs est le rendement de seuil global au delà duquel le système produit de l'énergie. Pour les #T usuels Rs est donc voisin de 50% . C'est ainsi que pour AT = 35 , il vient f(k) = 1,93 2 Rs = 52% . En envisageant l'égalité des rendements organiques de la pompe à chaleur et de la machine motrice, compte tenu de la température de transfert , le rendement organique de seuil indivi duel de chacune de ces machines se situe autour de la valeur r = V Rs S 72%. Au delà de cette valeur, le système devient producteur d'énergie aux dépens de la source naturelle de chaleur ambiante utilisée comme source froide. Une application des plus intéressantes du dispositif objet de l'invention peut consister en la conversion de l'énergie thermique des mers en force motrice en vue de la propulsion des navires. REVENDICATIONS 1.- Pompe à chaleur à coefficient de performance élevé, supérieur à l'inverse du rendement Carnot correspondant à ses deux températures extrêmes TOet T, utilisant de l'air ou tout autre gaz pratiquement parfait comme fluide actif, essentiellement caractérisée par la combinaison d'un compresseur adiabatique, d'un échangeur de températures et d'un moteur récupérant l'énergie élastique du gaz,après son passage dans l'échangeur, muni de moyens pour que cette récupération procède d'une détente isothermique de telle sorte que ce gaz subisse le cycle de transformation 2 en forme de triangle curviligne (fig.4), suivant a) Compression adiabatique et échauffement à partir de l'état poTo jusqu'à celui p,T, , pO et p, désignant les pressions extrêmes. b) Refoulement à l'état p,T, dans l'échangeur de températures où il cède sa chaleur de compression au milieu utilisateur pour en sortir a l'état p,To. c) Détente isothermique de l'état p,To à celui poTo 2.- Pompe à chaleur selon la revendication 1 essentiellement caractérisée par le fait que le moteur à détente isothermique incorporé a son mécanisme comporte une chambre de détente a volume variable consistant en un soufflet dont la paroi plissée, conductrice de la chaleur, est agencée pour présenter une surface maximale par ses replis, un moyen extérieur étant prévu pour maintenir la température de cette paroi, et celle du gaz intérieur , à une valeur très voisine de celle de la tempXrature To d'un élément naturel pris comme source froide. Pompe a chaleur selon la revendication 2 essentiellement caractérisée par le fait que le moyen extérieur destiné a maintenir la paroi du soufflet à une température très voisine de To consiste en une soufflerie utilisant l'air atmosphérique comme élément naturel 4.- Pompe à chaleur selon la revendication 2 essentiellement caractérisée par le fait que le moyen extérieur destiné à maintenir la paroi du soufflet à une température très voisine de To consiste en une circulation d'eau. 5.- Pompe a chaleur selon la revendication 1 essentiellement caractérisée par le fait qu'elle fonctionne en combinaison avec une machine thermique motrice pour laquelle elle tient lieu de source chaude tandis que celle-ci lui fournit l'énergie mécanique nécessaire à son fonctionnement, un élément naturel à la température ambiante To tenant lieu de source froide commune 6.- Pompe a chaleur selon la revendication 5 essentiellement caractérisée par le fait que la machine thermique associée fonctionne suivant le mode machine à vapeur.