Brevet FR2675245A1 — publié le 19921016

La présente invention concerne l'exploitation et la transformation de l'énergie thermique d'une source ou d'un gisement quelconque, quelque soit son niveau de température. L'invention se rapporte tant au procedé qu'aux dispositifs. Quatre champs d'exploitation immediats se présentent. 1 - Exploitation et transformation de l'énergie latente contenue dans tout gisement, tel que l'énergie calorique latente considérable contenue dans l'eau des océans, des lacs et des rivières. 2 - Exploitation de l'énergie dite diluée, telle que l'énergie solaire avec un rendement thérmodynamique théorique voisin de l'unité. 3 - Exploitation de l'énergie dite dégradée, telle que 14 calories cedées à la source froide par les circuits de refroidissement des machines et installations thermiques, qu'elles soient classiques ou nucléaires. Cette énergie dissipée représente habituellement la part la plus importante de l'énergie consommée par ces installations. 4 - Réalisation de dispositifs intégrant dès le départ la récupération des calories cedées à la source froide, afin de concevoir des machines et des installations thermiques dont le rendement thérmodynamique théorique serait voisin de l'unité. Le principe de Carnot indique qu'une machine fonctionnant sur un cycle thérmodynamique cède nécessairement de l'énergie à une source froide. Cette énergie cédée à la source froide définie le rendement thérmodynamique de l'installation, et dans la plupart des cas, entre 60 et 70% de l'énergie fournie à une installation part en pure perte ainsi à la source froide. Le principe de Carnot indique d'autre part que la chaleur passe spontanément d'un milieu chaud vers un milieu froid. A l'inverse le passage des calories d'un milieu froid vers un milieu chaud (cycle réfrigérant) nécessite une consommation de travail fourni par un dispositif extérieur. Dans le cas d'une exploitation sous forme thermique de cette énergie, l'opération peut etre rentable, c'est le cas notamment des pompes de chaleur. Dans le cas ou cette énergie doit être exploitée sous une autre forme que l'énergie thérmique, le travail nécessaire à la circulation forcée des calories de la source froide vers la source chaude à même valeur absolue au rendement près que celui succeptible d 'être développé par ces calories. Il etait donc impossible de récupérer en la transformant de façon rentable l'énergie cedée à la source froide. D'autre part l'énergie calorique latente contenue dans de nombreux gisements ne pouvait être exploitée faute d'une source froide permettant une cinétique des calories. Dans le cas de l'énergie thermique des mers, une astuce a consisté à utiliser la différence de température entre les eaux de surface et les eaux de profondeur. Le problème est ainsi ramemé a un cycle thérmodynamique classique de très faible rendement (environ 0,07%), il n'y a donc pas vraiment exploitation de l'énergie latente. Dans les machines thérmodynamiques existantes fonctionnant selon un cycle qu'il soit ouvert ou fermé, les différents échanges de calories se font essentiellement par conduction, à l'aide d'un fluide parcourant le cycle. Dans la conduction le transfert des calories correspond en fait au transfert d'énergie cinétique des particules . Il y a ralentissement des particules du milieu chaud et diminution de leur énergie cinétique, au bénéfice d'une accelération des particules du milieu froid et augmentation de leur énergie cinétique. On comprend bien qu'une particule d'une vitesse donnée ne saurrait accelérer une particule de vitesse supérieure. Le transfert ne peut donc se faire naturellement que d'une particule de vitesse donnée vers une particule de vitesse inférieure, du chaud vers le froid.Telle est la condition essentielle de toutes les machines thérmodynamiques existantes. Le procédé objet de l'invention est caractérisé par le fait qu 'il s'affranchi de la condition du passage unique des calories du chaud vers le froid. Le procedé objet de I'ivention est caracterisé par le fait qu'on opère par la combinaison d'un cycle thérmodynamique direct (moteur) et d'un cycle thérmodynamique inversé (réfrigerant). Le principe consiste à puiser l'énergie calorique d'une source ou d'un gisement quelconque à l'aide du cycle réfrigerant, et de l'exploiter à l'aide du cycle moteur. La difficulté consiste à "revaloriser" les calories ainsi pui seeS c'est à dire à les amener à un niveau de température tel qu'elle puissent être exploitéespar le cycle moteur. Le procédé objet de l'invention est caracterisé par le fait que la revalorisation des calories se fait par rayonnement et non par conduction afin de s'affranchir des conditions de transfert d'énergie cinétique. Le dispositif objet de l'invention est caracterisé par le fait qu'il comporte un "échangeur-concentrateur" de rayonnement; Dans cet échangeur concentrateur les calories sont amenées par conduction à un emetteur (qui peut constituer la source froide d'une machine thermodynamique). L'emetteur rayonne dans une enceinte ou a été fait le vide. Le rayonnement électromagnétique émis est alors concentré soit - à l'aide d'un système optique à la manière des concen trateurs de rayonnement solaire. - à l'aide d'un système de diode thérmique permettant l'accumulation de rayonnement dans l'enceinte. Le flux thermique concentré est absorbé par un récepteur (qui peut constituer la source chaude d'une machine thérmodynamique). L'absorpsion de ce flux concentré provoque sur le récepteur une température supérieure à celle de l'emetteur. Les calories sont ensuite évacuées par conduction. Le dispositif objet de l'invention est caracterisé par le fait qu'il permet un transfert de calories d'un niveau de température donné à un niveau de température supérieure, et cela sans apport de travail d'un dispositif extérieur. Selon une disposition de l'invention les calories cedées à la source froide du cycle moteur sont revalorisées de la même façon. Le système ne nécessite donc pas pour fonctionner l'existance d'une source froide proprement dite ou il cederait de l'énergie au système extérieur. Il en découle que le procédé et les dispositifs objet de l'invention sont caractérisés par le fait que ne necessitant pas de source froide ils permettent l'exploitation de n'importe quelle source ou gisement d'énergie calorique quel que soit son niveau de température. D'autre part ne cédant aucune calories au système extérieur, le rendement thermodynamique théorique est égal à 1. Toutes les calories puisées etant exploitées. - La figure 1 est représenté en diagramme de clapeyron un exemple possible de combinaison des cycles moteur et réfrigerant. - La figure 2 est le schéma d'une installation fonctionnant selon le cycle de la figure 1. - Les figures 3 et 4 représentent des exemples possible de concentrateurs optiques. - La figure 5 représente le schéma de prinCipe d'un concentra teur à effet de diode thérmique. - La figure 6 représente un exemple de concentrateur à effet de diode thérmique. - La figure 7 représente un exemple d'installation fonctionnant selon le cycle de la figure 1 appliqué à l'exploitation de l'énergie latente d'un gisement fluide. - La figure 8 représente un exemple d'installation fonctionnant selon le cycle de la figure 1 appliqué à l'exploitation de l'énergie solaire. - La figure 9 représente un exemple d'installation fonctionnant selon le cycle de la figure 1 appliqué à l'exploitation de l'énergie dégradée des circuits de refroidissement. - Les figures 10, 11, 12, représentent des dispositifs de récu peration intégrés aux dispositifs de production d'énergie. lere Application : exploitation de l'énergie latente. La figure 1 représente le cycle d'une des solutions possible. Il s'agit d'un système a une phase (gazeuse) en circuit fermé dans lequel les cycles moteur et réfrigerant sont combinés de façon à être parcourus par le même fluide. L'intérêt de cette combinaison est à la fois mécanique et thermodynamique. Les travaux de compression du cycle réfrigerant et du cycle moteur se font sans discontinuité sur la même courbe isentropique. De même les cessions de calories du cycle rêfrigerant et de la source froide du cycle moteur se font sans discontinuité sur la même courbe isobare. La totalité des calories cedées est recyclée. Le rendement thermodynamique du système est donc de 1. Ce cycle combiné permet la réalisation d'une installation simple selon le shéma figure 2 qui constitue une des solutions possible. Les calories sont prelevées du gisement par un absorbeur A dans lequel circule un fluide (du fréon par exemple) à une température inférieure à celle du gisement. L'échange se fait donc par conduction. Le fluide est ensuite comprimé par le compresseur C. Il reçoit le rayonnement infra-rouge concentré dans le recepteur R de l'échangeur-concentrateur EC. Une première détente se fait dans la turbine T1. A l'emetteur E de l'échangeur EC, le fluide cede au rendement près, une quantité de calories équivalente à celle qu'il avait absorbé en R. Une seconde détente se fait dans la turbine T2, avant de péné- trer dans l'absorbeur A pour un nouveau cycle en accord avec la figure 1 le cycle se décompose ainsi - de 1 à 2 compression adiXba-tique dans le compresseur C - de 2 à 3 rechaffement isobare dans le recepteur R - de 3 à 4 détente adiabatique dans la turbine T1 - de 4 à 5 refroidissement isobare dans l'emetteur E - de 5 à 6 détente adiabatique dans la turbine T2 - de 6 à 1 réchauffement isobare dans l'absorbeur A Le bilan des puissances s'établit de la façon suivante Soit Cp la chaleur spécifique à pression constante de fluide considéré. Cl, la chaleur spécifique à volume constant du fluide considére. Soit Soit le rapport pression de sortie/pression d'entrée de C Le rapport pression d'entrée/pression de sortie de TI le rapport pression d'entrée/pression de sortie de T2 La condition logique de fonctionnement est de façon à former un cycle Cycle moteur Puissance absorbée au recepteur Puissance cedée à l'emetteur Puissance developpée par le cycle moteur Cycle réfrigerant Puissance absorbée à l'échangeur Puissance cedée à l'metteur Puissance consommée par le cycle réfrigerant Cycle combané ' ' ~ Puissance totale cedée à l'emetteur Puissance utile developpée Le bilan des puissances du compresseur et des turbines produit un exedent qui peut être utilisé dans une machine ré cepPrlCe U (génerateur, pompe, prise de force ou autre...) La puissance utile correspond à la puissance calorique prélevée du gisement. Ce bilan correspond à la puissance théorique disponible et ne tient pas compte des differents rendements. L'architecture représentée est la plus simple, elle propose l'accouplement de tous les organes moteurs ou récepteurs sur le même arbre. Il est cependant possible de les faire fonctionner séparement ou reliés entre eux par des organes réducteurs ou multiplicateurs de vitesse. Dans le cas ou le gisement serait une masse d'eau une pompe telle que représentée figure 7 pourrait être accouplée à l'arbre moteur. La revalorisation des calories se fait grace à lléchan- geur-concentrateur. Tout les types de concentrateurs optiques tels que ceux utilisés pour l'énergie solaire peuvent être appliqué ici. La difficulté consiste à assurer que la totalité du rayonnement émis soit réflechi vers le récepteur, et qu'il y ait effectivement concentration. De plus les différentes reflexions n'etant pas sans perte, il vaut mieux en diminuer le nombre. La figure 3 représente selon une disposition de l'invention une des solution possible de concentration optique. Il s'agit d'un ensemble anicone composé. L'emetteur E rayonne dans un parabole P qui distribue le rayonnement dans un concentrateur parabolique composé (CP.C.) à un ou plusieurs étages, le dernier etant fermé par un réflecteur en de cercle (DC). Le facteur de concentration C est égal au rapport DE de llemetteur E et du récepteur R. DR La figure 4 représente selon une disposition de l'invention un type de concentrateur pouvant être utilisé. Il s'agit d'une enceinte hermétique dans laquelle a été fait le vide, et ou rayonne un emetteur E vers un récepteur R. La surface intérieure réflechissante constitue le système optique proprement dit. La courbe du concentrateur est fonction des diametres normalement égaux de llemetteur et du récepteur, et de la distance entre ces 2 foyers. Elles se construit selon la méthode du fil similaire à la construction d'une ellipse, et constitue un concentrateur an:cone dit idéal qui transmet la totalité du rayonnement émis de E vers un foyer de diametre équivalent en R. Le récepteur R est constitué d'une première enveloppe d'un diametre supérieur au diametre de E de façon à ce qu'il y ait intersection entre les rayons issus de E et la surface de l'enveloppe. Cette première enveloppe est constituée en matériaux transparent à llinfra-rouge tel que le verre de chalcogénure. L'indice de réfraction de cette enveloppe est tel que les rayons réfractés sont concentré vers l'enveloppe intérieur qui constitue le récepteur proprement dit. Le rapport de concentration C est égal au rapport des diametres DE de llemetteur et du récepteur. DR Une partie du rayonnement absorbé en R est reemlS en direction de E, et pour le cas ou les surfaces émetrice et réceptrice ne sont pas de même nature, il se produit au phénomene de concentration par effet de diode thérmique tel que décrit dans le type de concentratèur suivant. La figure 5 représente le schéma de principe du concentrateur à effet de diode thérmique. Selon l'invention le principe consiste a utiliser les caractéristiques d'absorpPion et de réfexion des surfaces émettrice et réceptrice pour provoquer dans l'enceinte un effet de concentration du flux thérmique. Considérons llemetteur E, il est d'un côté en contact avec le fluide qui est à la température TF1 et de l'autre il rayonne dans l'enceinte. Il recoit du récepteur un rayonnement d'un flux c son équilibre thérmique s'établit ainsi. - Le fluide lui communique par conduction la température TE - Flux rayonné = = constante de stephan t facteur total d'émission à la température TE - Flux réflechi RFE = AE c 4 = facteur total de réflexion à la température TE - Flux total émis E = R + RFE - Puissance absorbée du fluide = PFE - Puissance absorbée du rayonnement c en provenance de R PAE SE avec SE = surface de l'émetteur. - Puissance totale émise PE =E SE à l'équilibre on a PE + PFE + PAE = O Considérons le récepteur R, il recoit de l'emetteur E le flux total E dont il absorbe une partie A' et réflechit une partie RFA- Le flux absorbé A provoque la température T A et une réemission RE vers l'emetteur. - Flux total reçu - Flux absorbé A =C(A E avec &alpha;A = facteur total d'absorption à la température TA - Flux réflechi #RFA = #A #E - Flux réflechi RFA = A avec #A = facteur total de réflexion à la température TA - Flux réemis = avec #A = facteur total d'émission à la température TA Puissance transmise au fluide PFA Puissance absorbée PA = A SAl avec SAl = surface d' entrée de R = SE Puissance réemise PRE = RE SAl à l'équilibre ou a PA + PFA +P RE On identifie la puissance P FA transmise par le récepteur à l'action d'un flux U qui serait émis par la surface SA2 de sortie du récepteur. on a donc A = RE + U RE = #A- U d'autre part on a on arrive après calculs à l'expression on a évidement la température maximale pour U = O ce qui conduit à l'expression de laquelle on conclut - Pour un emetteur et un récepteur parfaitement identiques, il n'y a pas concentration, il faut donc jouer sur les caractéristiques des surfaces emettrice et réceptrice. - La surface SE doit être la émettrice et la moins absorbante possible d élevé 9 - La surface SA1 doit être la plus absorbante et la moins emettrice possible &alpha;A élevé #A faible. En l'absence de toute utilisation de puissance à SA2 U = O) si ?4tend vers O, TA tend vers + (Po on à donc une circulation naturelle de calories d'un emetteur de température TE à un récepteur de température TA > TE Indépendement du flux thermique utilisé dans l'installation et qui traverse l'échangeur, il s'échange constamment un flux entre E et R. Il est en grande partie réflechi sur la surface (P élevé) et ne modifie donc pas notablement la température TE de E. Il est en grande partie absorbé en R et contribue à élever la température TA de R avant d'être réemis à température élevé ( faible). Bien sur au fur et a mesure que croitra la puissance utile en sortie de R la température TA va baisser. On définit ss comme etant le rapport du flux utile sur le flux rayonné. A titre d'exemple en consi ra'ir une surface émettrice recouverte de peinture blanche epoxy = = 0,25 et #E = 0,9 une surface réceptrice recouverte de noir de chrome = = 0,98 et t = 0,19 le facteur de concentration maxi (U = 0) serait En prenant ss = 0,5 U = 0,5 R on a La figure 6 représente un concentrateur à effet de diode. Il se compose essentiellement de deux tubes concentriques l'émetteur E et le récepteur R separé par un espace très faible dans lequel est fait le vide,4 l'extérieur de E dans une enceinte cabrifugée circule le fluide qui cede ses calories à E à la température TFl à l'intérieur de R circule le fluide qui recoit les calories de R à la température TF2.Les diametres intérieur de E et extérieur de R étant très proches on peut considérer SE = SAl. La surface d'échange SA2 est fonction elle du facteur de concentration choisi de telle sorte que U x SA2 =PE La figure 7 représente un exemple d'installation selon l'invention, fonctionnant selon le cycle défini figure 1 ap pliqué à l'exploitation de l'énergie latente d'un gisement fluide. Une pompe permet la circulation du fluide du gisement dans un échangeur. 2ème Application : Exploitation de l'énergie solaire. Le système tel que représenté figure 8 fonctionne selon le cycle défini figure l. L'absorbeur est constitué par l'inso- lateur ou le foyer d'une installation solaire classique. Outre le rendement thermodynamique élevé le procedé présente l'avantage de permettre l'utilisation d'un capteur à basse temperature, de façon à limiter les pertes par réemission d'infrarouge, et de permettre un captage facile de l'infra-rouge incident direct ou diffus. 3ème Application : Récupération des calories par les circuits de refroidissement des machines et installations thermiques. Le système tel que représenté figure 9 fonctionne selon le cycle défini figure 1. L'absorbeur A est constitué par un échangeur dans lequel circule le fluide de refroidissement de la machine ou de l'installation. Un tel système correctement dimenssionné permet de récuperer en plus des calories cedées à la source froide une partie de l'énergie latente contenue dans le fluide lui-même. 4ème Application : Réalisation de dispositifs intégrant dès le départ la récupération des calories de la source froide. Les systèmes représentés figures 10 et Il fonctionnent selon le cycle défini figure 1. Il s'agit du cas d'exploitation a l'aide d'un circuit fermé tel que centrale nucléaire. L'absorbeur est constitué par l'échangeur entre les circuits primaire et secondaire (figure 10) ou entre les circuits secondaire et tertiaire (figure 11). Le système représenté figure 12 fonctionne selon le cycle defini figure 1. Il concerne les machines ou installations utilisant un cycle ouvert, telles que toutes les machines à combustion (moteurs, chaudières, etc...) un compresseur et une turbine supplémentaires sont nécessaires pour le circuit des gaz de combustion. L'absorbeur est constitué par un échangeur situé de préférence en aval de la turbine du circuit des gaz de combustion. L'architecture représentée propose l'accouplement de tous les organes émetteurs ou récepteurs sur le même arbre, mais ils peuvent soit être séparés ou reliés entre-eux par des organes réducteurs ou multiplicateurs de vitesse. REVENDICATIONS I) Procedé et dispositif d'exploitation et de transformation de l'énergie thermique d'un gisement ou d'une source quelconque caractérisé par le recyclage électromagnétique des calories cedées par le (ou les) fluide (s) au cours du (ou des) cycle (s) thérmodynamique (s). 2) Procedé selon la revendication 1 caractérisé par l'emploi d'un cycle réfrigerant pour aborber les calories d'une source ou d'un gisement quelconque pour les transformer en travail dans un cycle moteur. 3) Procedé selon la revendication 2 caractérisé par le fait que les cycles thermodynamiques moteur et réfrigérant sont combinés de telle sorte que a - les compressions des cycles réfrigerant et moteur se font pendant la même phase du cycle combiné. b - les cessions de chaleur des cycles réfrigerant et moteur se font pendant la même phase du cycle combiné. 4) Procédé selon la revendication l caractérisé Dar le fait aue ceeees par le (ou les) rlulue (s) sont transtormees en rayonnement électromagnétique par un émetteur, lequel rayonnement concentré vers un récepteur esretransformé en calories cedées au (x) fluide (s). 5) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'il.comprend un échangeur-concentrateur constitué d'une enceinte hermetique dans-laquelle à eté fait le vide et dans laquelle sont installés un échangeur-émetteur, et un échangeur récepteur. 6) Dispositif selon la revendication 5 caractérisé par le fait que ltenceintehermetique constitue un système optique concentrateur de rayonnement. 7) Dispositif selon les revendications 5 et 6 caractérisé par le fait que le récepteur est constitué par une enveloppe tubulaire en matériau transparent au rayonnement infra-rouge, concentrique a une autre enveloppe tubulaire de diametre inférieur, en matériau absorbant le rayonnement infra-rouge. 8) Dispositif selon la revendication 5 caractérisé par le fait que l'échangeur-concentrateur constitue une diode thermique dans laquelle a - la surface émettrice à un coéfficient total d'émis sion élevé, et un faible coéfficient total d'absorption. b - la surface réceptrice à un faible coéfficient total d'émission et un coéfficient total d'absorption élevé. 9) Dispositif selon la revendication I caractérisé par le fait que les calories sont puisées à la source ou au gisement par un absorbeur en matériau bon conducteur de la chaleur à l'in térieur duquel circule fluide du système réfrigerant à une température inférieure à celle de la source ou du gisement. 10) Dispositif selon les revendications 1 et 9 caractérisé par le fait que l'absorbeur constitue l'inalateur ou le foyer d'une installation solaire classique. ll) Dispositif selon les revendication 1 et 9 caractérisé par le fait que l'absorbeur est constitué par un échangeur dans lequel circule d'un coté le fluide de la source ou du gisement, de l'autre le fluide du système réfrigerant.