Brevet FR2618214A1 — publié le 19890120

La présente invention concerne des groupes autonomes de transferts de chaleur. Ils transforment directement une part de chaleur en énergie de travail, sans autre source source d'énergie. Ils sont d'une grande simplicité d'utili -sation, les rendements sont supérieurs à ceux des actuels classiques moyens de chauffage de locaux. Ils sont compéti -tifs en installations frigorifiques. Seul un écart suffi -sant de températures est nécessaire à leur fonctionnement. Les transferts de chaleur sont en général effectués par des groupes moto-compresseurs, qu'il s'agisse de pompes à chaleur, ou d'installations frigorifiques. Les groupes moto-compresseurs consomment généralement du courant élec -trique pour leur fonctionnement, Ils sont d'un grand nombre de pièces souvent en mouvement; d'où usures, bruit, pertes de rendement. Ces ensembles ont un prix de revient plus élevé que celui de l'actuel procédé. Avec les groupes de la présente invention, le transfert est effectué par un inecteur, ou, une batterie éjectair/injec- moteur. Dans celui-ci, ou dans cette batterie, la chaleur motrice se transforme directement en énergie de travail. Chaque groupe comprend un injecteur, dans lequel la chaleur motrice du bouilleur va se précipiter dans le fluide froid arrivant de l'évaporateur. Le mélange s'accélère vers un échangeur de régulation où s'évacue un excédent de chaleur. Le passage du fluide dans cet ensemble, donne à celui-ci une vitesse, et une concentration suffisante à son injec -tion dans le bouilleur.. Une autre part de fluide se diri -ge vers l'évaporateur, après son passage dans un sous-re -froidisseure En général un barostat libère automatiquement et brusque -ment, des quantités de fluide du bouilleur vers l'injec -teur; il se ferme suivant un différentiel réglable des pressions. Par exemple: ouverture brusque à I2 bars, fermeture brusque à II bars. Le barostat restera fermé jusqu'à un apport suffisant de chaleur, correSpondant à la potentialité énergétique souhaitée: dans l'exemple I2 bars. Le fonctionnement est intermittent en fonction des apports de fluide de l'évaporateur au bouilleur des quantités de chaleur motrice apportées au bouilleur, et, de l'efficacité du refroidissement L'injecteur peut suivant les cas d'automatismes prévus,varier la quantité de fluide moteur, et celle de fluide aspiré, de façon à conserver le rendement optimum; malgré les diverses variations de pressions/températures. La potentialité énergétique du fluide moteur est maintenue jusqu'au col de la buse d'injection, par une aiguille à dé -placement automatique réglable. Les automatismes sont particuliérement intéressants à la mise en service, de même qu'à chaque reprise de cycle. Le convergent/divergent de l'injecteur à ses surfaces exté -rieures garnies d'ailettes pour augmenter sa surface et améliorer ainsi l'évacuation de chaleur. Ce refroidissement sert à améliorer l'induction du mélange vers l'échangeur de régulation. L'échangeur de régulation possède en général les appareils ae réglage d'évacuation de chaleur. Cette évacuation de chaleur est souvent nécessaire pour maintenir une concentra -tion et une vitesse suffisante à la réinjection. Une contre -pression, une chaleur trop importante, réduirait la vitesse. A la sortie du convergent/divergent, un clapet de retenue interdit le retour du fluide vers l'évaporateur. I1 est en général sans ressort de rappel, pour réduire la perte de charge. C'est à l'arrêt,la pression du fluide de l'échangeur de régulation vers l'évaporateur, qui entraine le clapet et le maitien sur son siège. Ceci jusqu'à une nouvelle circu -lation du mélange après ouverture du barostat. I1 est en général nécessaire d'installer un second clapet de retenue, avant l'entrée du fluide au bouilleur, après l'é -changeur de régulation. De façon à maintenir à l'arret différents niveaux de pressions. br 8 I1 est intéressant de placer l'injecteur suffisamment haut, par rapport au niveau du bouilleur: le fonctionnement d'en -semble est ainsi facilité par une moyenne pression naturel -le après l'ensemble d'injection Comparativement à d'autres systèmes; le moteur n'est pas la pression, mais la chaleur dans une transformation directe en énergie de travail: concentration, énergie cinétique. Dans le cas d'utilisation du groupe en pompe à chaleur, les différentes évacuations de chaleur sont captées, soit en échange direct, soit par fluide calo-porteur dirigé vers un stockage ou utilisation. La circulation du fluide calo-porteur se fait en général du point le plus froid, en allant vers le point le plus chaud, avant d'être dirigé vers l'utilisation, et, retour au point de départ le plus froid. Suivant les cas, ce principe d'or -dre de circulation n'est pas toujours respecté. La fermeture du barostat est commandée par son réglage basse pression, elle peut l'être aussi par une pression non con -forme après l'échangeur de régulation de pression/tempéra -ture. De même que par une pression anormale dans la cham -bre de l'injecteur. L'admission de fluide calo-porteur à l'échangeur de régu -lation est en général commandée par l'ouverture du baros -tat. La circulation du fluide calo-porteur peut être réglée de façon thermostatique, pressostatique, ou autre. Des échangeurs de régulation spécialement conçus à cet effet permettent une surchauffe du fluide avant sa réintroduction au bouilleur En même temps que ceux-ci assurent le meilleur choc thermique, au fluide arrivant de l'injecteur: soit la contre-pression relative minimum. 11 est bien entendu que les installations sont équipées de tous les organes habituels de contrtles et de sécurité: soupapes de sécurité, niveaux, clapets divers, by-pass du barostat, réserves de fluide et autres accessoires. Le remplacement du barostat par une électrovanne ou autre, ne modifie en rien la présente invention; hormis qu'en ce cas elle ntewst plus autonome. Un eireulateur filectriquev, ou' autre circulateur, améliore les échanges thermiques. Pour certaines installations, il est possible de supprimer l'échangeur de régulation. Cette absence nécessite un convergent/divergent très correctement refroidi, aux pro -portions allongées; de même qu'une régulation précise des séquences de fonctionnement, celui-ci pouvant devenir très intermittent. D'une façon générale, le choix des différentes variantes se fait en fonction de la capacité, du fonctionnement en pompe à chaleur ou frigorifique; du fonctionnement double, c'est à dire en pompe à chaleur et frigorifique en même temps. La qualité des différents moyens nécessaires au fonctionnement, influancera les choix: principalement le moyen de refroidissement et le moyen de chauffage qui peut être solaire, rejets chauds, fuel, électrique . * . quel -que moyen de chauffage que ce soit. Seul un écart suffi -sant des températures est nécessaire, entre la tempéra -ture au bouilleur, et la température de refroidissement. Dans le cas où l'on souhaite obtenir une très basse tempé -rature à l'évaporateur, ou un écart important des tempéra -tures entre la haute et la basse pression, il est nécessai -re de disposer deux transformteurs d'énergie en série. Un premier appareil travaille en éjectair pour- accroître le vide relatif à l'évaporateur, il refoule à l'aspiration de l'injecteur. Cette disposition permet d'obtenir un rende -ment supérieur à celui obtenu avec un seul appareil. Pour accroître l'écart d'entalpie entre le fluide moteur, et le fluide à aspirer, l'on peut surchauffer le fluide moteur Dans le cas où le soleil est la source de chaleur, l'en -semble peut être mobile souS forme d"un volume, avec le capteur solaire sur le haut ou le coté de ce volume. I1 peut aussi s'agir d'installation plus importantes avec ensembles capteurs mobiles d'orientation: manuels ou automatiques. Le cycle moSeir peut être utilisé pour-la production de courant électrique. Le vide relatif important après la turbine, dans le cas ou l'on a situé celle-ci suffisamment haut par rapport au bouilleur, améliore le fonctionnement. Bien entendu l'invention n'est pas limité aux modes de réalisations décrits et représentés, d'autres variantes peuvent être envisagées. La planche I représente le principe des transformations La planche 2 représente un groupe classique de l'invention La planche 3, un groupe sans fluide calo-porteur La planche 4, un groupe sans recyclage de fluide calo-por -teur La planche 5, un groupe équipé d'un échangeur à surchauffe La planche 6, un groupe équipé d'un autre échangeur à surchauffe La planche 7, représente un injecteur automatique. La figure I, planche I, représente le cycle moteur de base. Une capacité (20), reçoit des quantités de chaleur (a), Dans le cycle tel que représenté, la colonne (45) n'étant pas chauffée, il y a un vide reltif en haut de celle-ci, l'aiguille (6) de la buse d'injection (4) interdisant la circulation du fluide. Ceci étant considéré sur un temps court Si l'on soulève l'aiguille (6), le fluide de la cap-acité (20) va se précipiter vers le haut de la colonne (45) jusqu'à équilibrage des pressions et des niveaux. Par l'échangeur (40), si l'on évacue la chaleur arrivant de (20), l'on a une circulation continue.. La figure 4, représente la possibilité de transformation thermodynamique: une turbine (52) est entrainée par le fluide sortant à grande vitesse de la buse d'injection (4). I1 y a évacuation de chaleur en (f), et chauffage en (a). Si l'on approche la figure 2 à la figure I, l'on obtient un cycle de base des transferts autonomes de chaleur. La figure 3, représente l'évaporateur (30), en liaison avec l'injecteur. Le fluide chaud du bouilleur (20), va entrainer par friction des quantités de fluide froid de l'évapo rateur (30).ale fluide moteur chaudse précipite dans le fluide froid. L'échangeur de régulation (40) évacue les quantités de chaleur nécessaires au -fonctionnement. Le sous-refroidisseur (50) refroidi le fluide avant son admis -sion à l'évaporateur; en général cette admission se fait par rampes en haut de ltévaporateur. L'on a ainsi obtenu un cycle frigorifique sans moto-com -presseur. oute la chaleur qui n'est pas en retour au bouilleur (20) peut être utilisée, par exemple pour le chauffage de locaux, avec circulation d'un fluide calo- porteur par (c, d, e, f,); (b) est la chaleur de vaporisation. La figure 5, planche 2, représente un groupe classique à l'invention Un barostat (35) va admettre à l'injecteur des quantités de fluide moteur, dans les conditions souhaités, par exemple ouverture à I2 bars, fermeture à II bars. L'ouverture de l'injecteur est automatique à l'arrivée du fluide moteur. Le convergent (2) divergent (3) est refroidi pour une meilleure induction. Le circuit de refroidissement comporte le robinet (I5) qui a son ouverture commandée par l'ouverture du barostat (35), l'ouverture du robinet (I5) varie en fonction de la pression/température dans la colon -ne (45). En cas d'anomalie des pressions/températures dans cette colonne (45), il peut y avoir fermeture du barostat (35). Le circuit préférentiel du fluide à la sortie de'l'échan- -geur de régulation (40) se fait vers le bouilleur. Des quantités de fluide sont admises à 1" évaporateur, par exemple avec le régulateur de niveau (36). Un fluide calo-porteur circule par le sous-refroidisseur (50) par (c, d,) ensuite par (g, h, e, f, i, ;,). Un stoc -kage ou utilisation de la chaleur captée est faite en (47). La figure 6, planche 3, représente un groupe sans fluide calo-porteur de récupération de chaleur. l'évacuation nécessaire de chaleur exédentaire est faite de façon statique dans quelque fluide que ce soit: air, eau . . . etc. Tel que dansw Wa figure 5, un clapet de retenue (7), inter- -dit à l'arret le retour du mélange contenu dans le refroi -disseur de régulation (40) vers l'injecteur. Comme un clapet de retenue (I6), interdit à l'arret le retour du fluide de la colonne (45), vers le refroidisseur de régulation (40), faÇon à avoir à l'arret dans l'injec- -teur une basse pression, dans le refroidisseur une moyenne pression; alors que dans le bouilleur règne une haute pres -sionF La figure 7, planche 4, représente un groupe sans refroi -disseur de régulation, Le refroidissement de régulation est fait directement au convergent/divergent de l'injecteur. Cette régulation est faite par un robinet (I7) qui s'ouvre à l'ouverture du barostat (35)* Un robinet (I8) règle la circulation du fluide de refroidissement en fonction de la température de celui-ci à sa sortie, La figure 8s, planche 5, représente un groupe équipé d'un refroidisseur de régulation à surchauffe. I1 fait aussi sous-refroidisseur de fluide, avant admission à l'évapora -teur (30). Le mélange du fluide à la sortie du convergent (2), diver -gent (3), de L'injecteur; se précipite sur la paroi du liquide sous-refroidi qui remonte de la base de ce refroi -disseur. Le fluide à la sortie de l'injecteur, se précipite dans l'anneau de (40), arrivé environ à mi-longueur, il circule dans un anneau entre le fluide calo-porteur, et une colon -ne isolée de faible section (41). Le fluide sous-refroidi vient se présenter derrière le clapet de retenue (7) au fluide chaud sortant de l'injecteur.- I1 y a ainsi un meil -leur appel du mélange, en mdme temps qu'il y a une sur -chauffe du fluide retournant au bouilleur. Tandis que la part de fluide allant à l'évaporateur reste sous-refroidie. La soupape de sécurité (37) laisse échapper des quantités de fluide de la haute pression vers la basse pression, en cas de pression excessive au bouilleur (20). La figure 9, planche 6, représente une autre variante de groupe équipé de refroidisseur de régulation à surchauffe et sous-refroidissement du fluide ayant admission à l'étva-t -porateur (30). La prise de fluide destiné au bouilleur (20) est faite à environ la mi-hauteur de l'échangeur (40). L'ensemble est équipé d'une bouteille de liquide (42). La figure I0, planche 7, représente une variante d'injec -teur automatique, des trahsferts autonomes de chaleur. (X).arrivée de fluide moteur, (Y) arrivée du fluide de l'évaporateur, (V) arrivée d'un fluide de refroidissement pour une meilleure induction, () sortie du fluide de refroidissement, (Z) prise de pression annexe éventuelle pour régulation complémentaire. Cet injecteur-se compose pour l'essentiel: d'un corps (I) qui reçoit le convergent (2), suivi du divergent (3). Une buse d'injection (4) se déplace longitudinalement à l'axe sur un filetage, sous l'action d'un vérin (9), en fonction de la pression de la chambre (8), ceci a pour effet d'aug- -menter ou réduire la section de passage du fluide venant de l'évaporateur, entre le canne injecteur (5) et le con -vergent (2). Lorsque le fluide moteur arrive dans la buse d'injection, la pression de celui-ci repousse le piston (IO) vers le haut, ce qui soulève l'aiguille (6) de son siège, et libère ainsi le passage du fluide moteur.Cette ouverture se fait brusquement,car, la tige de l'aiguille (6) doit repousser des billes (II) plaquées par des ressorts et pistons (I2), dont la compressions des ressorts est réglable par un écrou (in). La course de l'aiguille (6) est réglable par une vis (I4). Lorsque l'injecteur n'est plus alimenté en fluide moteur, le ressort (I5) rappelle l'aiguille (6) sur son siège. Le fluide qui a traversé l'injecteur ne peut revenir en arrière par le clapet (7) appelé sur son siège. La pression résiduelle à l'intérieur du convergent (2), divergent (3), se vide vers l'évaporateur, jusqu'à un nouveau cycle de fonctionnement. Cet injecteur automatique réglable, fait varier les débits de fluide en fonction des températures et pressions. La prise de pression annexe (Z) peut agir sur le barostat et autres régulations. Les applications de la présente invention sont celles de pompes à chaleur et d'installations frigorifiques de toutes puissances,~vec la possibilité d'autonomie, principale -ment à l'égard du courant électrique. D'autres applications telles qu'en conditionnement d'air sont possibles.Il y a aussi la possibilité de groupes thermodynamiques étanches, pour la production de courant électrique, surtout avec le solaire en source de chaleur. REVENDICAtIONS I) Groupe autonome de transferts de chaleur, fonctionnant avec-un écart suffisant de températures; caractérisé en ce que le fluide moteur qui s'élève d'un bouilleur (20), traverse un système à ouvertures et fermetures brusques (35) suivi d'un ensemble moteur qui comporte un injecteur (FIS IO) suivi d'un échangeur de régulation (40), d'une colonne verticale (45) par laquelle se fait le retour du mélange, pour une part au dessous du niveau du liquide dans le bouil -leur (20), pour l'autre part vers l'évaporateur (30)* 2) Groupe selon la revendication I, dont l'injecteur (FIG IO) est caractérisé par ce qu'il est équipé d'un refroidissement autour du convergent (2), divergent (3), pour améliorer l'induction du mélange de fluide0 3) Groupe selon la revendication I, dont l'injecteur (FIG IO) est caractérisé par ce que aon ouverture et sa fermeture sont automatiques, en fonction de la pression du fluide moteur, et, réglable de ce débit de fluide moteur; de meme que réglable automatiquement de la quantité de fluide aspiré à l'évaporateur (30), en fonction de la pression du mélange dans la chambre (8), ou par celle régnant dans l'échangeur de régulation (40). 4) Groupe selon la revendication I, caractérisé par ce que l'ensemble moteur d'injection possède à l'arret, et en fonc -tionnement, au moins trois niveaux de pressions: à l'arret et en fonctionnement, une haute pression corres -pondant à la pression au bouilleur (20) jusqu'à l'extrémité du ctne injecteur (5); en fonctionnement une basse pression à l'entrée du conver -gent (2), jusqu'au clapet de retenue (7) à l'arret; à l'arrêt et en fonctionnement, une moyenne pression dans le refroidisseur de régulation (40), entre le clapet de retenue (7), et le clapet de retenue (I6) 5) Groupe selon la revendication I, caractérisé par un échangeur de régulation (40) qui peut assurer une surchauffe (FIG 8) et (FIG 9), de la part de fluide destinée au bouil -leur (20), en même temps que le sous-refroidissement de la part de fluide destinée à l'évaporateur (30). 6) Groupe sel-on la revendication I, caractérisé par ce qu'il comporte un injecteur (FIG IO) qui peut titre remplacé par une batterie éjectair/injecteurO 7) Groupe selon la revendication I, caractérisé par ce qu'il permet la production de froid à l'évaporateur (30); de cha -leur au récupérateur (47), ou directement à l'échangeur (40) et sous-refroidisseur (50); si on le souhaite, produc -tion simultanée de "froid" et de ehaleur.