Brevet FR2607581A1 — publié le 19880603

La présente invention a pour objet un dispositif composite de machines thermiques dénommé ici "convertisseur de chaleur ambiante" permettant d'obtenir de l'énergie mécanique à partir d'une source naturelle de chaleur telle que l'atmosphère, le sol, la mer, l'eau courante, etc. Pour la bonne intelligence de l'invention un exposé théorique succint est nécessaire. Les cycles des machines thermiques cycliques sont théoriquement réversibles. On peut les utiliser soit en mode moteur, soit en mode générateur c 'est à dire en mode "pompe à chaleur". Dans ce qui suit l'abréviation "pac" sera utilisée pour dire "pompe à chaleur". La chaleur passant spontanément d'un corps chaud sur un corps froid, un moteur thermique utilise la différence de potentiel thermique de deux sources de chaleur pour-produire de l'énergie mécanique aux dépens de la source chaude. Inversement une pac produit de l'énergie thermique aux dépens de la source froide et son condenseur devient source chaude. Dans les deux cas, de la chaleur est transportée d'une source à une autre ou, si l'on préfère, d'un niveau de potentiel thermique à un autre. La chaleur prélevée n'est pas égale à la chaleur transférée : la différence représente le travail de l'opération, positif en mode moteur, négatif en mode pac. Soit Qc la chaleur perdue ou gagnée par la source chaude et Qf celle perdue ou gagnée par la source froide lors d'un transfert de chaleur dans une machine thermique. Le travail actif ou passif mis en oeuvre est, en unités adaptées : W = Qc - Qf (1) Cette loi étant valable en mode moteur et en mode pao, il est apparemment illusoire de rechercher un bénéfice en énergie mécanique en accouplant un moteur et une pac se rétrocédant leurs énergies,l'une mécanique, l'autre thermique. Le bilan de l'opération serait théoriquement nul et pratiquement déficitaire en raison des pertes. Cependant, puisqu'il est possible d'obtenir de l'énergie thermique aux aux dépens d'une source froide, cette démarche est en harmonie avec le premier principe qui professe l'équivalence totale de la chaleur - reconnue comme énergie cinétique moléculaire - et de l'énergie mécanique. Selon la théorie de Carnot, le rendement thermodynamique des machines thermiques a pour limite supérieure R = (Tc- Tf)/Tc (2) Tc étant la température de la source chaude et Tf celle de la source froide,ce qui peut se mettre sous la forme R R = B/Tmax (3 > e désignant la différence de potentiel thermique mise en jeu et Tmax la température la plus élevée de cette dernière. Ce rendement dénommé "rendement Carnot" ne peut être atteint qu'en théorie, par des machines parfaitement réversibles. Pratiquement on ne peut que s'en approcher. Il suit que c'est l'inverse du rendement thermodynamique qui intervient pour déterminer la production de chaleur d'une pac relativement au travail dépensé. On nomme cet inverse "coefficient de performance Donc la chaleur Qc transportée par le travail W d'une pac a pour expression: Qc = W x 1/R = W t (4) Q désignant le coefficient de performance. Or il s'avez que ce dernier est plusieurs fois supérieur à l'unité, et ce, même dans les conditions pratiques d'emploi des pac usuelles dans lesquelles interviennent des pertes. Il en résulte une conséquence paradoxale, savoir, la possibilité d'obtenir de l'énergie thermique gratuite d'une source froide, ce qui serait fondamentalement impossible si le rendement thermodynamique des machines thermiques réversibles atteignait 100%. D'après les formules précédentes, cette énergie thermique gratuite Qf = Qc-W, obtenue aux seuls dépens de la source froide a pour valeur: Qf = (fi-1)W (5) la quantité m-1 étant qualifiée de "coefficient d'amplification". Donc le principe de Carnot exprime la possibilité d'obtenir de l'éner- gie gratuite aux dépens d'une source froide sous la forme thermique mais non pas sous la forme mécanique, sans toutefois interdire cette seconde éventualité. Sous cette lumière, le problème que résoud l'invention consiste à extraire de l'énergie thermique gratuite ainsi obtenue un travail supérieur à celui qui est dépensé pour actionner la ou les pac produisant ladite énergie thermique. Or il est clair, conformément aux remarques précédentes, qu'un moteu thermique récupérant la chaleur d'une pac ne peut produire un travail excédentaire que si le c coefficient de performance de ladite pac est supé- rieur à l'inverse du rendement Carnot, soit R > l (6) Par conséquent, la solution consiste à réaliser une pompe à chaleur dont le coefficient de performance soit supérieur à l'inverse du rendement Carnot, c'est à dire qui remplisse la condition (6). Nous verrons qu'il est possible d'obtenir cette condition au moyen d'une pac composite combinant les actions de plusieurs pac. Dans les machines thermiques cycliques la chaleur Qc mise en oeuvre résulte de la compression ou de la détente adiabatique, selon le cas, d'un gaz quasi-parfait . Selon les lois des gaz parfaits, on a Qc = mC (Tc-Tf) (7) C désignant la chaleur spécifique du gaz à pression constante dans les conditions de l'opération, m la masse de fluide calorigène mise en jeu. On peut donc exprimer la chaleur transportée dans un cycle par une formule générale de la forme Qc = A (Tc-Tf) = A &commat; e (8) (8) e étant la différence de potentiel thermique Tc-Tf et A un coefficient global produit de constantes telles que la masse du fluide traitée, sa chaleur spécifique, le système d'unités. Or la détente du fluide actif qui a cédé sa chaleur de compression permet de récupérer un certain travail et le froid qui en résulte est compensé par un apport de calories de la source froide représentant la chaleur Qf précédemment définie. C'est de ce phénomène que résulte un rendement thermodynamique inférieur à l'unité dans une pac et,inversement,un coefficient de performance supérieur à l'unité. Compte tenu de ce rendement, le travail concomitant est W = R Qc. En remplaçant R et Qc par leurs valeurs selon (3) et (8), on a W = A e2/Tmax (4) formule générale valable en mode pac comme en mode moteur. Il est digne de remarquer que ce travail est fonction de 82 et non pas de O. Or, le carré d'une somme étant supérieur à la somme des carrés de ses termes, nous aboutissons à une conclusion importante, savoir "Le travail total de plusieurs pac en cascade, réalisant un transport de chaleur d'un niveau de température à un autre par niveaux intermédiaires en se transmettant leurs chaleurs, est inférieur au travail d'une unique pac de même construction réalisant seule le même transport". Autrement dit, l'ensemble de ces pac représente une pac composite dont le coefficient de performance remplit la condition (6) , et ce, d'autant plus que leur nombre est grand, du moins en théorie. Il devient alors possible d'obtenir du travail gratuit au moyen d'un moteur actionnant des pac en cascade qui l'alimentent en chaleur tandis que ce résultat est fondamentalement impossible lorsqu'on n'utilise qu'une seule pac ayant pour rendement théorique le rendement Carnot. On remarquera enfin que ce dispositif n'enfreint pas l'obligation de mettre en oeuvre deux sources de chaleur pour actionner un moteur thermique, de conformément au principe Carnot. En conséquence, le dispositif objet de l'invention est essentiellement caractérisé par l'association de plusieurs pompes à chaleur en oar--, réalisant le transfert fractionné, par niveaux successifs de température croissante, de la chaleur prélevée dans une source à la température ambiante, dite "froide", à une source chaude représentée par le condenseur de la dernière pompe à chaleur de la suite, et d'un moteur thermique branché sur ces deux sources, lequel actionne le groupe de pompes à chaleur tout en fournissant un supplément de travail utilisable aux dépens de la source froide. L'invention prévoit également, à titre non limitatif, des dispositions constructives propres à assurer le bon fonctionnement de l'ensemble Afin d'obtenir un rendement optimal, il est prévu d'utiliser de préférence des pac dont les fluides calorigenes passent par la phase liquide. Il en est de même pour le moteur qui est alors du type "à vapeur". Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, on peut utiliser dans ces pac un même fluide calorigène dont la température critique dépasse la température maximale produite par la dernière pac de la chaine, de manière à couvrir toute la gamme des températures utilisées avec un seul fluide. Il en resulte une simplification considérable dans la construction et les réglages des pac. C'est ainsi,par exemple,que le trichlorotrifluoroéthane dont la température critique est de 214 OC , permet d'atteindre à l'échangeur de la dernière pac une température voisine de 200 OC, propice à l'emploi d'un moteur à vapeur d'eau classique. De plus, il est prévu, pour réduire les pertes de rendement mécaniques, de donner à toutes les machines du groupe des caractéristiques telles que leur régime de fonctionnement soit obtenu lorsqu'elles tournent à la même vitesse. Il devient alors possible de les accoupler par de simples Joints de transmission, leurs arbres étant disposés en ligne ou encore de grouper leurs cylindres sur un carter unique contenant un villebrequin commun. Un moyen simple pour faire démarrer à froid le dispositif consiste à l'entrainer par un moteur auxiliaire quelconque pourvu d'un embrayage, jusqu'à ce que les pac aient atteint leurs températures de fonctionnement. L'invention prévoit en outre un moyen permettant de se passer de moteur auxiliaire de démarrage. Ce moyen consiste à incorporer dans l'évaporateur du moteur à vapeur du groupe un dispositif de chauffage, tel un brûleur à mazout ou encore un jeu de résistances électriques chauffantes, de manière à mettre ce moteur en marche et l'y maintenir jusqu'à ce que les pac aient atteint leurs températures de fonctionnement L'invention sera de toutes façons bien comprise en se référant à la description et aux explications qui suivent données à titre non limitatif ainsi qu'aux dessins qui les illustrent. La figure 1 représente schématiquement une suite de pompes à chaleur associées entre elles et à un moteur thermique. La figure 2 représente schématiquement un type de pac dont le fluide calorigène traverse la phase liquide avec ses échangeurs de chaleur, constituant la dernière pac Pn précédant le moteur. Soit une suite de n pac (figez désignées par P1, P2, ... Pn , en partant de gauche à droite, associées à un moteur thermique M situé à droite. La première pac P1 puise des calories dans une nappe d'eau Sf à la température ambiante To par son évaporateur Eo. Le condenseur i de la dernière pac Pn (Fig.2) consitue une source chaude Sc, laquelle alimente en chaleur 1 'évaporateur 2 d'un moteur à vapeur M , également en liaison avec la source Sf (fig.1) par un condenseur-liquéfacteur L Les liaisons thermiques de toutes ces machines se font au moyen d'une suite d'échangeurs de chaleur intermédiaires El, E2, ...En En ce qui concerne leur liaison mécanique, leurs arbres, tel 3, sont alignés sur un axe commun et se transmettent leurs mouvements à partir du moteur M par des joints de transmission, tel 4. (Fig.1) En utilisant des pac de même construction aux rapports volumétriques égaux, traitant chacune la même masse de fluide lors d'une révolution, températures et pressions s'échelonnent en principe selon la loi suivante: Pl/Po P2/P1 ... - p,/p = Cte 1'lo ~ T2/T1 2 ... ~ T, = cte Le moteur M , est alimenté en vapeur par le réservoir extérieur 2 de l'échangeur En, comme représenté en figure 2, ce réservoir remplissant la fonction d'évaporateur, ou "chaudière" dudit moteur. Le fluide utilisé par ce moteur peut être identique à celui de la dernière pac Pn ou encore, classiquement, être de l'eau. Il est porté à ebul- lition par le condenseur 1 de cette pac qui remplit la fonction de source chaude Sc, comme dit plus haut. Sortant de 1 'évaporateur 2, la vapeur pénètre par le tube 5 (fig.1) dans le distributeur 6 du moteur M dont elle ressort, après détente, par le tube 7 pour se liquéfier dans le condenseur L dont le contenu est réintroduit dans l'évaporateur 2 par une pompe 8, (fig.2) tout cela selon la technique connue. Ainsi le moteur M bénéficie, aux pertes près, de toute la différence de potentiel thermique, e = Tn-To, qui existe entre l'échangeur En et la nappe d'eau Sf Il sera démontré plus loin que ce moteur produit un gain d'énergie mécanique, utilisable par exemple pour actionner un générateur d'électricité non représenté, au moyen d'une courroie montée sur son volant 9. La figure 2 représente, en coupe schématique la pac Pn avec ses échangeurs En , En de liaison thermique avec la pac Ph-I d'une part, et le moteur M d'autre part. Cette pac est substantiellement composée à la manière classique d'un compresseur C aspirant le fluide sous forme de vapeur dans un évaporateur 2' pour le refouler à une température et une pression supérieures dans un condenseur 1 où il se liquéfie. Un détendeur ou régleur R, composé d'un étranglement capillaire réglable par vis 12, permet le retour du liquide du condenseur 1 à l'évapora- teur 2' tout en maintenant la différence des pressions. Pour assurer la liaison thermique des pac,leurs condenseurs et évaporateurs sont associés en échangeurs de chaleur. D'une façon générale un échangeur peut être considéré comme un réservoir à deux compartiments étanches, l'un servant de condenseur à une pao, l'autre d'évaporateur à la pac suivante, ces deux compartiments étant séparés par une paroi conductrice au maximum de la chaleur. L'un d'eux peut être notamment composé d'un faisceau de tubes. Dans le type représenté en figure 2, ces échangeurs sont constitués par deux compartiments cylindriques coaxiaux 1,2,1'2'.La paroi du réservoir extérieur doit être suffisamment résistante pour- pouvoir supporter une pression croissante de la première à la dernière pac et peut être calorifugée pour éviter toute perte de chaleur. En revanche, la paroi des compartiments internes, n'ayant à supporter que des écarts de pression faibles ou nuls, peut être mince et très conductrice de la chaleur. Des petits moteurs électriques, tels 10, 10', actionnent des agitateurs tels 11,11', lesquels favorisent par brassage l'homogénité des températures dans les deux compartiments et un échange de chaleur optimal. Une résistance 13, incorporée à l'évaporateur 2 du moteur , représente un moyen d préchauffage électrique pour le démarrage du groupe. On peut également lui substituer un brûleur à mazout à la manière classique, que l'on éteint lorsque le régime de fonctionnement est établi. Après avoir été mis en marche par l'un des moyens indiqués ci-dessus, les pressions et températures des pac s'établissent et se stabilisent. Leur stabilité est assurée en maintenant constante la charge du moteur M et, éventuellement, par des dispositifs régulateurs non représentés procédant de la technique classique. La loi de progression des températures précédemment indiquée implique une progression géométrique: T1 = k To , T2 = k2To ,... Tn = kh To , mais pour un calcul simple, il suffit de considérer que les accroissements de température sont égaux: le rapport k étant voisin de l'unité, les résultats numériques sont pratiquement les mêmes. Dans ce cas, les taux de compression successifs des pac vont en décroissant légèrement, ce qui ne change rien à la théorie du dispositif, sinon à la construction des pac. Soit donc t = T1 - To = T2 - T1 = ... = Tn - Tn-l t désignant la différence de potentiel thermique de chaque pac. La différence de potentiel thermique totale est alors: e = Tn - To = n t n étant le nombre des pac. A partir de To l'échelonnement des températures aux condenseurs est le suivant TI = To + t , T2 = To + 2t, ... Tn = To + n t Soit Wm le travail fourni par le moteur et Wp le travail total nécessaire pour actionner les pac. Selon la formule (4), le travail que peut fournir le moteur qui dispose de la différence de potentiel thermique totale e est Wm = A 92/Tn Ce travail est le même que s'il était alimenté en chaleur par une unique pao, la dernière de la suite, réalisant d'un seul coup de piston toute la compression étagée des pac à partir de la pression initiale Po. Selon la même formule (4), le travail passif d'une pac d'ordre k est: Wk = A ta/Tk Donc le travail passif total des pac est une somme ayant pour valeur: Wp = A t2 (1/T1 + 1/T2 + ... + 7/Tn) il existe une température moyenne Tm, comprise entre T1 et Tn, telle que : Wp = n A t2/Tm = A 2/n Tm Le gain de travail utile qui en résulte est la différence G = Wm Ou encore, en faisant le rapport Wm/Wp, il vient: Wm/Wp = n Tm/Tn La quantité Tm/Tn étant proche de l'unité dans les limites de température envisagées, on voit que le moteur M est théoriquement capable de fournir un travail près de n fois supérieur à celui qui est nécessaire pour actionner les pac.La différence représente un travail gratuit obtenu aux seuls dépens de la source froide. Pour qu'il en soit de même en pratique il faut que le gain ait une valeur suffisante pour compenser les pertes organiques de rendement dans lesquelles interviennent: pertes mécaniques, dissipation de chaleur, tempé ratures de transfert dans les échangeurs, déformation des diagrammes, etc. Or les pac de construction usuelle atteignent facilement un rendement organique r de 1 'ordre de 50%. du rendement théorique de Carnot. Ce rendement, qui peut être optimisé en s'efforçant de réduire au maximum toutes les pertes, est d'ailleurs dépassé dans les machines de forte taille de construction soignée dans lesquelles il peut atteindre le taux de 70%. On peut donc envisager un rendement de 60S pour fixer les idées. Considérons par exemple les données suivantes To = 293 , Tn = 473 , e = 180 , n = 6 , t = 30 , r = 63% En appliquant les formules précédentes, on obtient en théorie Wm = 68,5 A , Wp = 13,8 A , Wm/Wp = 5 Donc le moteur est théoriquement capable de fournir 5 fois plus de travail que n'en nécessitent les pao, le gain théorique étant G = 68,5 - 13,8 = 44,7 Compte tenu d 'un rendement de 60%, le gain réel prend la valeur: G = 0,6 Wm - Wu/0,6 = 18,1 A En comparant ce gain au travail réel du moteur, on obtient un gain gain relatif réel Gr = G/0,6 Wm = 44% Cela signifie qu 'un moteur thermique de 1000 CV effectifs en dépensera 560 pour actionner les pac et en fournira 440 utiles. Le convertisseur objet de l'invention trouvera, par conséquent, de nombreuses applications comme source d'énergie gratuite et non polluante, notamment sous forme de groupes électrogènes de toutes dimensions. REVENDICATIONS 1.- Convertisseur de chaleur ambiante essentiellement caractérisé par la mise en oeuvre d'une suite de pompes à chaleur se transmettant successivement leur chaleur de manière à réaliser le transfert étagé, par niveaux successifs de température, de la chaleur d'une source à la température ambiante, dite froide, à une source chaude représentée par le condenseur de la dernière pompe à chaleur de la suite et d'un moteur thermique branché sur ces s deux sources, lequel actionne le groupe de pompes à chaleur tout en produisant un gain de travail utile aux dépens de la source froide. 2.- Convertisseur de chaleur ambiante selon la revendication 1 essentiellement caractérisé par le fait que chacune des pompes à chaleur mises en oeuvre utilise un fluide calorigène traversant la phase liquide au cours de son cycle. 3.- Convertisseur de chaleur ambiante selon la revendication 2 essentiellement caractérisé par le fait que toutes les pompes à chaleur qui le composent utilisent un même fluide calorigène à phase liquide ayant une température critique supérieure à la température maximale de la dernière pompe à chaleur, de manière à couvrir toute la gamme des températures. 4.- Convertisseur de chaleur ambiante selon la revendication 3 essentiellement caractérisé par le fait que le fluide utilisé est du trichlorotrifluoroéthane. 5.- Convertisseur de chaleur ambiante selon la revendication 1 essentiellement caractérisé par le fait que le moteur thermique mis en oeuvre est du type à vapeur. 6.- Convertisseur de chaleur ambiante selon la revendication 1, essentiellement caractérisé par le fait que toutes les machines qui le composent tournent à la même vitesse, leurs arbres, alignés sur un axe commun et solidaires, se transmettant directement leur mouvement de rotation 7.- Convertisseur de chaleur ambiante selon la revendication 2 essentiellement caractérisé par le fait que les échangeurs de chaleur sont constitués par un réservoir à deux compartiments séparés par une paroi très conductrice de la chaleur, des agitateurs assurant le brassage de leur contenu liquide. 8.- Convertisseur de chaleur ambiante selon la revendication 5 essentiellement caractérisé par le fait que son démarrage est assuré par un moyen de chauffage auxiliaire incorporé dans l'évaporateur du moteur à vapeur. 9.- Convertisseur de chaleur ambiante selon la revendication 1 essentiellement caractérisé par la loi de progression des températures suivante: Tl/To = T2 /T1 = ... = 2;/Tn~l = Cte