Brevet FR2642792A1 — publié le 19900810

La présente invention, concerne le dispositif général de transfert autonome de chaleur, par une transformation directe de chaleur motrice en energie de travail. Les transferts de chaleur sont en général effectues par des groupes moto-compresseurs electriques ou thermiques: installations frigorifiques, pompes à chaleur . . . , D'autre part il existe differents systèmes à absorption ou resorption, avec ou sans moto-pompe. Il y a aussi différents systèmes dynamiques: tritherme, à air, à éJection de vapeur d'eau . . . Ces systèmes sont tou -jours equipes de moto-pompes. Tous ces ensembles ont des rendements inférieurs à ceux utilisants des moto-compres- -seurs. Cependant, ils présentent de I'intér8t, lorsqu'il existe une source de chaleur gratuite, pour l'essentiel de leur fonctionnement. Avec les dispositifs de la présente invention, le transfert est effectué par ejecto-compresseur, dont le re -foulement se fait à la fois vers un réservoir tampon, et, un condenseur à débordement de liquide dans le résevoir tampon. Chaque groupe comprend un bouilleur, auquel on apporte une chaleur motrice de quelque origine que ce soit. Le niveau d'une pression choisie, provoque la brusque ouverture d'un clapet barostatique à différentiel en général réglable. La vapeur haute pression du bouilleur, se précipite vers le niveau de moyenne pression au condenseur, avec circula -tion par le réservoir tampon. La grande vitesse du fluide moteur à la sortie de la tuyère primaire, provoque une dépression suffisante autour de son jet, pour aspirer à basse pression le fluide de l'évaporateur et. le véhiculer. L'éåecto-compresseur du dispositif de base ressemble à ceux d'usages semblables. kawis, le present dispositif ne nécessite pas de moto-pompe pour-réalimenter le bouilleur en fluide liquide, cette réalimentation se fait automatiquement avec le liquide tiède du réservoir tampon, par l'automatisme d'un clapet à flotteur. Le fluide diphasique, à la sortie de l'ensemble de transfert, laisse au réservoir tampon sa partie liquide non refroidie; dans le cas de circulation en paral -lèle entre condenseur et réservoir tampon. En fonctionnement actif, progressivement, le fluide moteur se transfère du bouilleur au réservoir tampon; muni de son clapet à flotteur. Lorsque le niveau est suffisamment élevé, le liquide provoque le brusoue soulèvement du clapet à flot -teur, dont la partie haute vient se positionner au-bas de l'ensemble de transfert dans un système de retenue, de ten -sion en général réglable. Par exemple une partie semi-sphé -rique qui vient se loger entre des ressorts en forme de clip. L'effort nécessaire à la libération, va maintenir le clapet à flotteur en position haute, jusou'à vidage du ré -servoir. La pression s' équilibre à une valeur intermédiaire, entre la pression au bouilleur, et la pression au résevoir tampon. La chute de pression au bouilleur, occasionne la brusque fermeture du clapet barostatique. L'augmentation de pression au résevoir tampon, occasionne la fermeture du clapet de non retour vers le condenseur; la pression au condenseur ferme le clapet de non retour au bas de l'ensemble de transfert. Le flotteur ou son clapet, se plaque sur l'arrivée de lten- -semble de transfert au réservoir tampon. Le liquide du réservoir tampon s'écoule au bouilleur, jus -qu'à ce que son niveau en s'abaissant atteigne et dépasse le haut d'une capacité pleine de liquide sur le bas du cla -pet à flotteur; dont le poids, additionné au poids de l'en- -semble, entraine brusquement celui-ci vers le bas. La partie clapet s'engage dans son logement, et, restera à cette posi -tion par le poids de l'ensemble, jusqu'à un nouveau cycle de vidage. Le serrage du ou des joints dans le logement de clapet, en plus de l'étanchéTté, servent de différentiel de dégagement brusque de celui-ci à l'ouverture; ou autre dispo -sitif de différentiel. Le fonctionnement est intermittent comme décrit; il l'est aussi en fonction de la quantité variable de chaleur apportée au bouilleur. Une baisse suffisante de chauffage, provoque une baisse de pression, qui va entrainer la brusque ferme -ture du clapet barostatique; ainsi que par des systèmes de régulation ou de contrtle. Par ce dispositif, dans sa forme la plus simple, on a un système tritherme fonctionnant par intermittences sans motopompe, avec un rendement thermodynamique supérieur à celui de l'ancien système. Les cycles thermodynamiques du dispositif, sont différents de tous les autres cycles thermodynamioues de systèmes com -parables. Ce êe matériel peut être utilisé en fonctionnement avec deux fluides. En ce cas, le fluide moteur est en général de faible chaleur de vaporisation, à l'opposé de l'agent frigo -rifique, de chaleur de vaporisation en-général élevée. La séparation des deux fluides se faisant par exemple au condenseur par différence des densités. Les prises d'alimen -tation de l'évaporateur et de débordement au réservoir tampon, se font respectivement au condenseur en haut et bas, ou en bas et haut de niveau total liquide, en fonction des densités. La position de la tuyère primaire peut être réglable automa -tiquement par rapport au diffuseur: en fonction d'une pres -sion, d'une température, d'un débit, de façon à conserver un rendement optimum. Il est aussi possible de différentes façons de faire varier la quantité de fluide moteur admise à la tuyère primaire, de même que la quantité de chaleur reçue au bouilleur. Dans le cas d'un double éouipement de transfert, il y a géné -ralement un second clapet de non retour avant le bouilleur. Le remplacement du barostat par une électrovanne, ou autre matériel; de mtme que le remplacement du clapet à flotteur par d'autres matériels; ne modifie en rien le principe de la présente invention. Dans tous les cas, chaque démarrage ou redémarrages, sont facilités par le faible niveau de pression dans l'ensemble de transfert. Chaque ensemble est équipé d'un régleur de débit de quelque nature, entre condenseur et évaporateur. De même que chaoue ensemble, peut être équipé d'appareils de contr31e, de régu -lation, de sécurité. L'ensemble de transfert peut comporter un refroidissement au diffuseur et après le diffuseur; en ce cas, en général, il y a une tuyère secondaire au bas du refroidissement pour une reprise de pression. Ce dispositif a pour avantage d'augmen -ter l'induction, d'augmenter la vitesse, de réduire les remous; d'augmenter le rendement général. Avec un double système de transfert, il n'y a plus de clapet à flotteur au réservoir tampon: le premier système refoule vers le réservoir tampon et condenseur, le second reprend le mélange diphasique du réservoir tampon, pour l'injecter au bouilleur. Avec ce dispositif, le rendement thermodynamique est nettement supérieur à celui du dispositif de base. une importante quantité de chaleur motrice est ainsi recyclée. Le système thermodynamique est toujours différent de tous les autres sytèmes comparables. Le dispositif de base permet d'obtenir une transformation intermittente de chaleur en énergie mécanique ou électrique. Devant la tuyère primaire, une turbine ou autre machine, est entraînée par le fluide à grande vitesse entre bouilleur et condenseur. Le principe de retour du fluide au bouilleur res -te le même; en ce cas, il n'y a plus d'évaporateur. Pour un chauffage suffisant au bouilleur, le temps d'arret pour vidage du réservoir tampon est inférieur à environ I/50e du temps de cycle total: supérieur pour faibles capacités, inférieur pour grandes capacités. Des combinaisons permettent d'avoir un cycle continu. Le dispositif peut servir aussi de pompe à chaleur, par uti -lisation du condenseur en convecteur de chauffage; ou, circu -lation d'un fluide caloporteur entre condenseur, sytème d'injection, et convecteurs de chauffage. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations décrits et représentés, des variantes peuvent Entre envisagées. La planche I représente le dispositif de base en fonc -tionnement actif (production). La planche 2 représente le mEme dispositif de base en fonc -tionnement passif (vidage). La planche 3: un fonctionnement à deux fluides, l'un en bou -cle motrice, l'autre en boucle de transfert. La planche 4: une réinjection intermittente automaticue de liquide tiède au bouilleur. La planche 5: un double système de transfert. La planche 6: une transformation de chaleur en énergie méca -nique ou électrique, par le dispositif de base. La planche 7: une transformation de chaleur en énergie méca -nique ou électrique, en fonctionnement intermittent, tou -jours automatioue, avec deux capacités La figure I, planche I, représente le dispositif de base en fonctionnement actif. Le bouilleur (I), reçoit des quantités de chaleur motrice (a). Lorsque la pression devient suffisante, le clapet barostati -que (3) en s'ouvrant, laisse admettre le fluide du bouil -leur vers la tuyère primaire (4). Le fluide se détend dans dans le diffuseur (5), vers le conduit (6). Le fluide de l'évaporateur (po), reçoit des quantités de chaleur (b) à basse température, il est aspiré devant le diffuseur (5), il est refoulé à grande vitesse dans le diffu -seur (5). Avec le dispositif de base, il y a une reprise de pression du mélange du fluide moteur et aspiré, au niveau de la pres -sion au condenseur, entre le diffuseur (5) et l'arrivée au conduit (6). Le condenseur évacue la chaleur (c), représen -tant environ (a) ±(b). Le mélange diphasique qui arrive au condenseur (I3), circule aussi par le réservoir tampon (15), équipé de son clapet à flotteur (I6). Un régleur de débit (23), laisse admettre les cuantités né -cessaires de fluide à l'évaporateur (in). La figure 2, représente le cycle thermodynamique actif du dispositif de base. La figure 3, représente le dispositif de base en vidage de réservoir tampon (I5). Le niveau du liquide dans le réservoir tampon (15), s'est élevé suffisamment, pour soulever le clapet à flotteur (I6), mettant en communication le réservoir tampon (I5) et le bou -illeur (I), par le conduit (I9)* Le clapet barostatique (3), se ferme par baisse de pression au bouilleur ( Les clapets de non retour (24) et (25), se ferment par pressions supérieures du réservoir tampon (ils) vers le condenseur (13), et, du condenseur (I3) vers l'éva -porateur (10). La partie haute (I8), du clapet à flotteur (16), positionnée dans le clip (20), maintient l'ensemble clapet à flotteur (I6) à cette position, jusqu'à ce que le niveau baisse suf -fisamment, pour que le poids du liquide contenu dans la capacité (2I), du clapet à flotteur (I6), ne soit plus équi -librée par la poussde-au liquide (d), contenu dans le ré -servoir tampon (I5). En position haute, le flotteur (22), ou un clapet dans le conduit (I2), interdit le passage du fluide par le haut du réservoir (I5), vers le condenseur (I3)* La figure 4, représente le cycle thermodynamique du dispo -sitif de base en vidage du réservoir tampon (I5). La figure 5, représente le dispositif d'une variante à deux fluides de caractéristiques différentes. L'un moteur de faible chaleur de vaporisation et volume maximum de va -peur, circule par le bouilleur (I), la conduite (2), la tuyère (4), l'ensemble de transfert (33), le condenseur (I3), le réservoir tampon (15), et, retour au bouilleur (I). Le second fluide agent de tranfert à forte chaleur de vaporisa -tion, circule par l'évaporateur (10), la tuyère (5), l'en- -semble de transfert (33), le condenseur (13), et, retour à l'évaporateur (10), après passage par le régleur de débit (23). Une conduite (50), avec robinet (51), ou autre système auto -matique, permettent de faire retour à l'évaporateur (10), des éventuels entrainements de l'agent de transfert. Après cycle de vidage dans ce cas de densités. Le fonctionnement à deux fluides est possible avec le dispo -sitif de base (FIG. I et 3).. Il permet dtaccrottre le trans -fert de chaleur (b) de l'évaporateur (IO), pour une même dépense de chaleur motrice (a) au bouilleur (I)c La figure 6, représente le cycle actif du dispositif de la figure 5: il est le même que celui du dispositif de la figu -re I; tout comme leurs cycles thermodynamiques passifs sont identiques. La figure 7, représente un dispositif dont le système clapet à flotteur est remplacé par un injecteur (28),slimen- -té par un robinet (29), commandé par un ensemble à niveau (30).. La figure 8, représente le cycle thermodynamique du dispo -sitif de la figure 7. La figure 9, représente le dispositif sans clapet à flotteur. Un premier ensenble de transfert (33), à refroi -dissement, fait reprendre au fluide une pression supérieure à la pression de condensation, correspondant à la tempéra -ture au condenseur tu3), après passage par la tuyère secon -daire (34). Le fluide circule librement entre le condenseur (I3) et le réservoir tampon (5), dont la capacité est ré -duite. Un second ensemble de transfert (36) à refroidisse -ment, élève la pression du fluide (d), à la pression au bouilleur (I).Cet ensemble est composé d'une tuyère primaire (37), alimentée par le barostat (3); un diffuseur (38), une tuyère secondaire (39), les clapets de non retour (26) et (40), et, en général, le clapet de non retour (4I) Cette variante permet d'obtenir des rendements thermodyna -miques supérieur8 à ceux du dispositif de 'base à un seul fluide. La figure I0, représente le cycle thermodynamique du dispo -sitif de la figure 9. Le retour du fluide au bouilleur se fait à l'état diphasiquer avec recyclage d'une quantité im -portante de chaleur motrice La figure II, représente une variante du dispositif de base en variante de transformation intermittente de chaleur en énergie mécanique, électrique, ou autre Le fluide moteur, à a sortie de la tuyère primaire (4), se précipite vers le condenseur (I3), en circulant librement par le réservoir tampon (15). Au passage, le fluide moteur entraine une turbine (45 > , ou autre, qui entraine un alter -nateur (46), ou autre, pour production par exemple de cou- -rant électrique. L'évaporateur est supprimé, il n'y a usage que de la seule boucle motrice. Le fonctionnement du clapet à flotteur (I6), est le même que celui décrit pour les figures I et 3. La figure I2, représente le cycle thermodynamique actif du dispositif de la figure II. Le cycle de vidage est le mdme que celui de la figure 4. La figure I3, représente une variante de dispositif de transformation de chaleur de quelque origine, en quelque lieu en énergie d'une autre forme, par exemple mécanique ou élec -trique. Le fluide moteur, à la sortie de la tuyère primaire (4), se précipite vers le condenseur (I3) qui évacue la chaleur (c). Au passage, le fluide entraine une turbine (45) ou autre, qui entraine un alternateur (46) ou autre. Un dispositif de transfert, composé d'un injecteur (28), alimenté par le ba -rostat (3), injecte dans le diffuseur (38), le mélange fluide moteur plus fluide refroidi du condenseur (I3), vers le bouilleur (I), après passage par le refroidisseur (36), la tuyère secondaire (39), les clapets de non retour (40) et (41). Exemple d'utilisation: la zone (E) est en ensoleillement plus convection; la zone (0) est à l'ombre, avec un éven -tuel refroidissement complémentaire. La figure I4, représente le cycle thermodynamique du dispo -sitif de la figure 13* Les principales applications de la présente invention, sont celles de pompes à chaleur, installations frigorifiques et de conditionnement d'air; transformation de chaleur en d'autres formes de l'énergie, notamment en énergie électri -que, pour quelque usage que ce soit, et, en quelque lieu. RBVENDICAfIONS I) Disposítif général de transformation de chaleur en énergie de travail, pour transferts de chaleur, ou transformations simples de chaleur en énergie d'autres formes. Un écart suffaisant de températures est nécessaire et suffisant aux cycles thermodynamiques (2,4,6-,8,IO,I2,14) pour des fonction -nements intermittents-et automatiques. Le dispositif est caractérisé par une boucle motrice venant d'un bouilleur (I), circulant après ouverture d'un clapet barostatique à différentiel en général réglable (3) par un éjecto-compresseur (4, 5), un condenseur à débordement (I3) en parallèle d'un réservoir tampon (I5) équipé d'un clapet à flotteur (I6), dont le fonctionnement intermittent et auto -matique, assure le retour du fluide moteur tiède au bouil -leur (I).Par la circulation vive de la boucle motrice entre la tuyère primaire (4) et le diffuseur (5), une boucle indui -te de transfert de chaleur qui vient de l'évaporateur (IO), est aspirée et comprimée au diffuseur (5), circule librement entre le condenseur à débordement (I3) et le réservoir tampon (I5) fait retour à l'évaporateur (IO), après passage par un régleur de débit (23). 2) Dispositif selon la revendication I, caractérisé par la possibilité d'un fonctionnement à deux fluides non miscibles de caractéristiques différentes, l'un moteur à faible chaleur de vaporisation et, ou, volume important de vapeur; l'autre induit par le premier à forte chaleur de vaporisation, pour accroStre le rendement d'un fonctionnement à un seul fluide (FIG. 1,3,5); la séparation des deux fluides se faisant auto -matiquement entre le condenseur à débordement (13) et le réservoir tampon (15), avec les mêmes cycles thermodynami -ques (FIG. 2,4,6). 3) Dispositif selon la revendication I, caractérisé par la transformation de chaleur en énergie mécanique ou électrique (FIG. II), avec l'automatisme de l'ensemble condenseur (I3), réservoir tampon (I5), -clapet à flotteur (I6), sur le seul cycle moteur: par une turbine (45), alternateur (46), 4) Dispositif selon la revendication I, caractérisé par le clapet à flotteur (I6, FIG.I), composé de bas en haut par un clapet (I7) dont le serrage dans son logement, ou autre système, assure le retard différentiel d'ouverture brusque, une capacité (2I) d'automatisme de fermeture, un flotteur (22) d'automatisme d'ouverture, un système (18) dans un clip (20) ou autre dispositif assure le retard différentiel de fermeture brusque 5) Dispositif selon la revendication I, caractérisé par la possibilité de remplacement du clapet à flotteur du dispo -sitif général par un second ensemble de transfert (FIG. 9), dont la tuyère primaire (37), refoule le fluide (d) à grande vitesse dans le diffuseur (38), pour son retour au bouilleur (I). 6) Dispositif selon les revendications I et 5, caractérisé par la transformation de chaleur en énergie mécanique ou électrique (FIG. 13), en quelque lieu sur le seul cycle moteur; avec une turbine (45), et un alternateur (46) en une boucle fermée et sans moto-pompev Un ensemble de trans -fert après le barostat (3), fait retour du fluide liquide (f) ou diphasique, au bouilleur (I), après passage par un injecteur (28), un diffuseur (38), un refroidisseur (36) de reprise de vitesse, une tuyère secondaire (39) de recompres -sionv 7) Dispositif selon les revendications I, 5 et 6, caracté -risé par des ensembles de transferts et d'injections (FIG.9) composés de diffuseurs refroidis (5 et 38) pour améliorer l'induction, de refroidisseurs de reprise de vitesse (33 et 36) suivis de tuyères secondaires de reprise de vitesse pour vaincre l'énergie de pression (34 et 39). Les refroidisse -ments pouvant être régulés par quelque dispositif de prise de température, de pression, ou de vitesse