Brevet FR2623047A1 — publié le 19890512

Procédé et système de transmission d'énergie électrique par l'intermédiaire d'un circuit à fluide La présente invention concerne un procédé et un système pour transmettre de l'énergie électrique par l'intermédiaire d'un circuit à fluide, en particulier à l'intérieur d'un local blindé: L'emploi d'appareils très sensibles de mesure et de télécommunication nécessite le blindage de certains locaux, tant civils que militaires, contre les champs électromagnétiques et ce aussi bien dans le domaine des basses fréquences que dans celui des hautes fréquences. Ces champs électromagnétiques perturbateurs sont dus en particulier à l'utilisation de générateurs HF, de redresseurs haute tension, d'appareils médicaux, ou proviennent de perturbations extérieures à propagation rapide, telles que la foudre ou l'impulsion électromagnétique produite par une explosion nucléaire. A cet effet, les conducteurs électriques pénétrant dans un local blindé sont traditionnellement équipés de filtres à selfs et condensateurs, afin que ces traversées n'affaiblissent pas l'effet d'écran du blindage du local. On utilise ces filtres pour protéger les pénétrations dites à "faible niveau", c' est-à-dire véhiculant seulement des informations, et les pénétrations dites à "fort niveau", ctest-à-dire véhiculant de l'énergie. Pour les hautes fréquences et les grandes intensités de champ, on associe à ces filtres des dispositifs limiteurs de surtension, dits écrêteurs, à gaz ou à semi-conducteurs. Lorsqu'on recherche une grande fiabilité pour la protection des pénétrations à fort niveau, on prévère substituer à l'ensemble sécréteur + filtre de puissance un système de découplage à fluide qui présente une garantie absolue d'insensibilité aux perturbations d'ordre électromagnétique. Dans les systèmes connus de ce genre, on utilise un circuit hydraulique, donc à fluide incompressible. L'énergie électrique disponible sur le site non protégé est réceptionnée par un moteur électrique qui transmet son couple à une pompe hydraulique, laquelle pousse un fluide hydraulique et transforme le couple mécanique en énergie de pression. Le fluide hydraulique à haute pression est transporté jusqu'au local blindé ou il est réceptionné par un moteur hydraulique entratnant un alternateur qui fournit ainsi l'énergie électrique nécessaire audit local blindé. Par ailleurs, le fonctionnement des équipements électriques et mécaniques du local blindé engendre une dissipation de chaleur, de sorte qu'il est nécessaire de conditionner l'air de ce local avec un groupe frigorifique séparé fonctionnant généralement au fréon. Il s'ensuit en définitive qu'une telle installation est relativement volumineuse et pose également des problèmes de fiabilité et de maintenance. La présente invention a donc pour but principal de remédier à ces inconvénients et, pour ce faire, elle a pour objet un procédé de transmission d'énergie électrique par l'intermédiaire d'un circuit à fluide qui se caractérise essentiellement en ce qu'il consiste à utiliser un fluide compressible permettant de produire directement du froid à l'intérieur du local blindé. On sait en effet que les fluides compressibles, comme les gaz ou la vapeur, ont la propriété de se refroidir en se détendant. On élimine ainsi complètement le groupe frigorifique de l'art antérieur, ce qui permet à la fois de diminuer l'encombrement et d'augmenter la fiabilité, tout en facilitant la maintenance. Le système pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend - à l'extérieur du local blindé, un moteur électrique entraînant un compresseur - à l'intérieur du local blindé, une turbine entraînant un alternateur - un circuit à fluide compressible reliant le compresseur à la turbine - un premier échangeur thermique disposé à l'intérieur du local, à la sortie basse pression de la turbine ; et - un deuxième échangeur thermique disposé à l'extérieur du local, à la sortie haute pression du compresseur - ce deuxième échangeur refroidissant le fluide de travail compressible d'une quantité d'énergie au moins égale à celle prélevée dans le local par le premier échangeur. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, il est prévu un troisième échangeur thermique à la sortie haute pression du compresseur, pour absorber l'énergie due aux frottements des machines tournantes. De préférence, le fluide de travail compressible est constitué par de l'air. Selon une variante de réalisation de l'invention, le circuit à fluide compressible reliant le compresseur à la turbine est un circuit ouvert, l'air froid détendu disponible à la sortie de la turbine étant refoulé directement à l'intérieur du local blindé, tandistque l'air à l'entrée du compresseur est prélevé directement à l'extérieur du local. On obtient ainsi un système qui est à la fois plus simple, donc plus fiable, et moins coûteux. Plusieurs formes d'exécution de l'invention sont décrites ci-après à titre d'exemples, en référence aux dessins annexés dans lesquels - la figure l est le schéma de principe d'un système de transmission d'énergie électrique par fluide compressible, conforme à l'invention - la figure 2 représente le diagramme thermodynamique de ce système - la figure 3 est le schéma d'une réalisation pratique du système représenté sur la figure l ; et - la figure 4 est le schéma d'une variante de réalisation de l'invention. Le système représenté sur la figure l est spécialement conçu pour transmettre de l'énergie électrique à l'intérieur d'un local blindé tel que l, par l'intermédiaire d'un circuit à fluide, de façon à être totalement insensible aux perturbations d'ordre électromagnétique. A cet effet, le système selon l'invention comprend tout d'abord, à l'extérieur du local blindé l, un moteur électrique 2 entraînant un compresseur 3 et, à l'intérieur, une turbine 4 entraînant un alternateur 5. Entre le compresseur et la turbine se trouve un circuit fermé à fluide compressible ABCDA qui traverse la paroi du local blindé l et dont le diagramme thermodynamique est représenté sur la figure 2 en fonction de l'entropie S et de la température T. Comme fluide de travail compressible, on peut utiliser un gaz comme l'azote ou de la vapeur, mais le plus souvent, on utilisera tout simplement de l'air. Conformément à l'invention, un premier échangeur thermique 6 est disposé à l'intérieur du local blindé l, à la sortie basse pression Pi de la turbine 4, tandis qu'un deuxième échangeur thermique 7 est disposé à l'extérieur du local, à la sortie haute pression P2 du compresseur 3. Par ailleurs, un troisième échangeur thermique 8 est disposé à l'extérieur du local, entre l'échangeur 7 et la sortie haute pression du compresseur. Le fonctionnement de ce système est le suivant L'énergie électrique disponible à l'extérieur du local blindé est transformée en couple par le moteur électrique 2 et ce couple est transmis au compresseur 3. Le circuit fermé ABCDA véhicule le fluide de travail compressible qui transfère ainsi le travail de compression du compresseur 3 à la turbine 4 par détente. Enfin, le couple de la turbine 4 est transmis à l'alternateur 5 qui restitue ainsi l'énergie électrique nécessaire au local blindé 1. Le fluide détendu et refroidi qui se trouve à la sortie de la turbine 4 absorbe la chaleur Qf du local l par l'intermédiaire de l'échangeur 6, jusqu'à l'obtention de la température Tf désirée, toujours supérieure à la température Td au point D du circuit. Réciproquement, l'échangeur 7 refroidit le fluide de travail d'une quantité d'énergie Qf égale à celle prélevée du local l par l'échangeur 6, à partir de la source froide Ta, toujours inférieure à la température Tc au point C du circuit. Quant à l'échangeur 8, il a pour but d'évacuer l'apport d'énergie thermique Qe du aux frottements (rendement isentropique) des machines tournantes. Le rendement du cycle est égal à Wt + Qf, Wc étant l'énergie absor Wc bée par le compresseur 3 et Wt l'énergie restituée par la turbine. On notera en outre que la puissance frigorifique disponible à l'échangeur 6 est du même ordre de grandeur que l'énergie électrique fournie par l'alternateur 5. On obtient donc ainsi en définitive un système de transmission d'énergie électrique particulièrement fiable et de maintenance aisée, permettant de produire simultanément de l'énergie thermique à basse température afin de refroidir l'air ambiant du local blindé. Bien entendu, la production de froid est réglable et peut même, dans certains cas particuliers, être réduite à zéro. Dans l'exemple de réalisation pratique de l'invention représenté sur la figure 3, on retrouve tout d'abord le moteur électrique 2, le compresseur 3, la turbine 4, L'alternateur 5, l'échangeur 6, ainsi que les échangeurs 7 et 8 qui sont ici confondus en un seul échangeur. Par ailleurs, le fluide compressible utilisé dans cette installation est de l'air atmosphérique. Le réseau électrique du site non protégé alimente le moteur électrique 2, dont la puissance absorbée est de 24 kW et qui entraîne le compresseur 3 par l'intermédiaire d'un réducteur à engrenages 9. Ce compresseur est de type volumétrique à vis sec et tourne à 7.500 tours/minute. La température de sortie est de 236' C et la puissance mécanique disponible sur l'arbre est de 17 kW. L'air comprimé exempt d'huile est refroidi à la température de 40' C par les échangeurs 7, 8, à partir de l'air ambiant (Ta = 35' C) ventilé par un ventilateur 10, dont la vitesse varie en fonction des informations fournies par un capteur de temperature 11 disposé à l'entrée du compresseur. L'air comprimé refroidi alimente le distributeur de la turbine 4, montée sur roulement à billes et qui entraine l'alternateur 5 par l'intermédiaire d'un réducteur à engrenages 12. Cette turbine, de type axial et de diamètre 150 mm, tourne à 30.000 tours/minute. La température de l'air à la sortie de la turbine est de - 27' C et la puissance mécanique sur l'arbre est de 7 kW. L'alternateur 5 est de type auto-régulé, sans bague, ni balai, à excitation compound. Sa puissance active sous cos v = 1 est de 4 kW. La régulation de fréquence est constituée par un capteur 13 de type phonique situé sur l'arbre de la turbine et par un régulateur électronique du type proportionnel et intégral. Ce régulateur commande une vanne 14 à commande électrique qui bipasse la turbine 4 et assure ainsi une rotation de celle-ci à vitesse constante à 1 0,5 %. A pleine ouverture, cette vanne 14 est capable de maintenir la turbine à son régime nominal, même à charge nulle.Par ailleurs, une régulation de tension 15 agit sur l'excitation auxiliaire de l'alternateur pour maintenir la tension efficace fournie dans les limites de t3 r~ L'air procédé en sortie de la turbine 4 à - 27' C cède son énergie frigorifique à l'air ambiant du local blindé 1 par l'intermédiaire de l'échangeur 6, ventilé par un ventilateur 16. Ce ventilateur aspire l'air du local à + 25' C et le refoule à + 15' C. La régulation de température est assurée par la vitesse variable du ventilateur, en fonction des informations fournies par un capteur 17 de la température de l'air ambiant du local. La puissance frigorifique de l'échangeur 6 varie de O à 4 kW. La mise en pression du circuit à la pression atmosphérique s'effectue grace à un réservoir 18 dont la surface externe de la membrane d'étanchéité 19 est à l'air libre. Il va de soi cependant que pour des raisons de dimensionnement de la turbine, d'étanchéité du circuit, ou encore de niveau de puissance de la réfrigération, le circuit basse pression pourrait être soit en surpression, soit en dépression, par rapport à la pression extérieure, en connectant le réservoir 18 à une bouteille d'air comprimé ou à un circuit de mise sous vide. Le rendement du système ainsi dimensionné est de 0,33, mais il pourrait atteindre 0,50 en utilisant un alternateur de plus grande puissance. Dans la variante de réalisation représentée sur la figure 4, le système fonctionne en circuit ouvert, avec de l'air comme fluide de travail. L'air froid détendu en sortie de la turbine 4 est alors injecté directement à l'intérieur du local 1, dont l'air ambiant est évacué par une ouverture 20, tandis que l'air à l'entrée du compresseur 3 est prélevé directement à l'extérieur. Dans ce cas, le ventilateur 10 est asservi en vitesse par le capteur de température 17 et assure ainsi la régulation de température à l'intérieur du local. L'installation ainsi constituée est plus simple que celle représentée sur la figure 3 et présente donc une fiabilité accrue. REVENDICATIONS 1. Procédé pour transmettre de l'énergie électrique par l'intermédiaire d'un circuit à fluide, en particulier à l'intérieur d'un local blindé, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un fluide compressible permettant de produire directement du froid à l'intérieur du local blindé. 2. Système pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé. en ce qu'il comprend - à l'extérieur du local blindé (1), un moteur électrique (2) entrainant un compresseur (3) - à l'intérieur du local blindé (1), une turbine (4) entrainant un alternateur (5) - un circuit à fluide compressible (ABCDA) reliant le compresseur (3) à la turbine ( 4) - un premier échangeur thermique (6) disposé à l'intérieur du local (1), à la sortie basse pression de la turbine (4) ; et - un deuxième échangeur thermique (7) disposé à l'extérieur du local (1), à la sortie haute pression du compresseur (3) - ce deuxième échangeur (7) refroidissant le fluide de travail compressible d'une quantité d'énergie (Qf) au moins égale à celle prélevée dans le local par le premier échangeur (6). 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est prévu un troisième échangeur thermique (8) à la sortie haute pression du compresseur (3), pour absorber l'énergie due aux frottements des machines tournantes. 4. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le fluide de travail compressible est constitué par de l'air. 5. Système selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit à fluide compressible reliant le compresseur à la turbine est un circuit ouvert, l'air froid détendu disponible à la sortie de la turbine (4) étant refoulé directement à l'intérieur du local blindé (1), tandis que l'air à l'entrée du compresseur (3) est prélevé directement å l'extérieur du local.