Brevet FR2850738A1 — publié le 20040806

Dispositif et procédé de transformation d'énergie mécanique en énergie thermique Domaine de l'invention L'invention concerne un dispositif de production d'énergie thermique, destiné en particulier à être utilisé dans des 10 installations de chauffage individuel, collectif, industriel, à fluides caloporteurs liquides ou gazeux. L'invention concerne plus précisément un dispositif de production d'énergie thermique, particulièrement économe 15 en énergie de fonctionnement, mettant en oeuvre des moyens de compression d'un fluide compressible formé d'au moins deux composants. L'invention concerne également un procédé de chauffage de 20 fluides caloporteurs liquides ou gazeux mis en oeuvre dans des installations de chauffage individuel, collectif ou industriel. Etat de la technique Les dispositifs de production d'énergie thermiques les plus connus pour des installations de chauffage individuel, collectif et industriel apparaissent être 30 - des radiateurs à résistances électriques, radians ou non, chauffant par contact direct l'atmosphère gazeuse des locaux à chauffer, - des chaudières électriques, à gaz, à fioul, avec géothermie, dont la fonction est de chauffer des fluides liquides ou gazeux qui chauffent à leur tour des échangeurs thermiques de chauffage central à circulation d'eau ou à vapeur, mis au contact de 1 'AtmnnhArP S r4nhAiiffpr Toutefois, l'inconvénient majeur de ces divers types de dispositifs de production d'énergie thermique est leur cot de fonctionnement élevé puisque mettant en oeuvre; pour leur fonctionnement, des sources d'énergie coteuses, électriques ou fossiles. Sommaire de l'invention Dès lors que l'un des inconvénients majeurs des dispositifs de production d'énergie thermique les plus connus est le cot de fonctionnement élevé de ces dispositifs, le principal objet de l'invention vise à créer un dispositif de production d'énergie thermique à 15 faible cot de fonctionnement, tout en restant très concurrentiel sur l'aspect de l'investissement pour sa réalisation. Selon l'invention, le dispositif de production d'énergie 20 thermique pour installation de chauffage à fluides caloporteurs, liquides ou gazeux, fonctionnant en circuit fermé, se caractérise en ce qu'il se compose, en combinaison: a) d'un moyen de compression comprenant des éléments de compression, une chambre d'aspiration et une chambre de compression, d'un fluide compressible formé d'au moins deux composants pour le porter à une haute pression et le rendre caloporteur par 30 transformation de l'énergie mécanique de compression en une énergie thermique, b) d'un moyen d'échange thermique entre le fluide comprimé à haute pression et chargé d'énergie 35 thermique et le fluide potentiellement caloporteur de l'installation de chauffage à réchauffer en provoquant un abaissement de température du fluide comprimé à haute pression et chaud, et une augmentation de la température du fluide de l'installation de chauffage rendu caloporteur par l'échange thermique c) d'un moyen d'abaissement de la pression du fluide 5 comprimé à haute pression, après l'échange thermique pour le placer dans un état basse pression par détente, d) de moyens de séparation des composants du fluide 10 haute pression refroidi puis détendu, et de récupération des composants séparés, e) des moyens de reconstitution du fluide à comprimer selon des quantités attachées à chacun des 15 composants, f) des moyens d'introduction et de diffusion du fluide reconstitué à comprimer dans le moyen de compression, g) et d'un moyen d'entraînement des éléments de compression. Description détaillée de l'invention L'invention sera mieux comprise grâce au schéma d'ensemble du dispositif illustré par la figure 1. Le fluide compressible mis en oeuvre dans le cadre de l'invention est un mélange d'au moins deux composants: - le premier des composants présent dans le mélange à comprimer, à raison de 55 % à 75 % en volume, est un 35 fluide gazeux qui peut être un gaz naturel tel que de l'air, de l'azote, du C02, ou un gaz de synthèse adapté, pris seuls ou en mélange, - le deuxième des composants présent dans le mélange à comprimer, à raison de 45 % à 25 % en volume, est une huile d'origine minérale ou organique susceptible de supporter des températures d'au plus 300 OC. Ce fluide compressible peut également contenir divers agents ayant la propriété de renforcer la capacité à accumuler de l'énergie calorifique lors de la compression. Le moyen de compression du fluide compressible ainsi défini est un compresseur (1), muni d'éléments de compression (2), en amont desquels se trouve une chambre d'aspiration (3) et en aval desquels se trouve une chambre 15 de compression (4). Le moyen de compression mis en oeuvre selon l'invention peut être choisi préférentiellement dans le groupe des compresseurs du type à ailettes, ou à spirales. 20 Un moteur électrique (17) mono ou triphasé, de puissance électrique utile déterminée par le volume des locaux à chauffer, entraîne le moyen de compression. La pression à laquelle le fluide compressible est porté est d'au plus 3. 106 Pascal, mais est préférentiellement comprise entre 106 Pascal et 2,5. 106 Pascal. Le fluide comprimé à haute pression et chauffé par sa 30 compression, sortant de la chambre de compression (4), entre en contact avec un échangeur thermique du type fluide comprimé chaud / gaz potentiellement caloporteur ou fluide comprimé chaud / liquide potentiellement caloporteur, l'échange thermique s'effectuant à la 35 pression régnant dans la chambre de compression (4) et l'échangeur thermique (5), c'est-àdire à une pression d'au plus 3.106 Pascal. A la sortie du moyen d'échange thermique, les fluides gazeux ou liquides chargés en calories délivrées par le fluide comprimé chaud lors d'échanges thermiques, sont utilisées dans les moyens de chauffage installés dans les 5 locaux à chauffer, tels que par exemple, par circulation d'eau chaude dans des radiateurs, ou des faisceaux de tubes immergés dans une chape de béton, ou par air pulsé chaud. Quant au fluide comprimé ayant cédé tout ou partie de ses calories par échange thermique, il est soumis à une détente contrôlée dans un moyen d'abaissement de pression réglable (6), le portant à un niveau de pression inférieur de 2 à 6 fois le niveau de pression régnant dans la 15 chambre de compression. Un tel moyen réglable pour abaisser la pression peut être choisi parmi les systèmes connus et les plus sophistiqués, et en particulier pour les plus simples, les robinets à 20 pointeau, des vannes à débits réglables par contrôle automatique au moyen de capteurs d'informations pilotés électroniquement. Dès lors que la pression du fluide comprimé refroidi a été 25 abaissée dans le moyen (6), ledit fluide est soumis à une séparation de ses composants dans la chambre de séparation (7). Les composants séparés sont recueillis par les moyens de 30 collectes (8) pour les composants gazeux compressibles, et par les moyens de collectes (9) pour les composants liquides huileux. Ces moyens de collectes des composants du fluide 35 compressible débouchent dans des moyens de dosage de chacun des constituants gazeux (10) et liquides (11), dont le réglage des débits permet la reconstitution du fluide à comprimer dans des éléments de compression (2), à partir des quantités de l'un et l'autre composants libérés par les moyens de dosage (10) et (11). La pression régnant en amont des moyens de dosage (10) et 5 (11) est celle régnant dans le moyen de séparation (7), qui est la chambre de détente-séparation (7) tandis que la pression régnant en aval des moyens de dosage (10) et (11) est celle régnant dans la chambre d'aspiration (3) précédant les éléments de compression (2), cette pression 10 en aval pouvant se situer dans un intervalle de pression compris entre -0,5.105 Pascal à 2.105 Pascal. Les quantités respectives en volume des composants destinés à reconstituer le fluide compressible dans les 15 éléments de compression (2) sont conduites séparément par aspiration au moyen des canalisations (12) et (13) dans un moyen de reconstitution du fluide à comprimer, ce moyen étant préférentiellement un mélangeur à multivoies (14). A la sortie du mélangeur multivoies (14), le fluide recomposé à comprimer est introduit par la voie (15), dans la chambre d'aspiration (3) o il y est diffusé par un diffuseur (16), qui crée, dans la chambre d'aspiration(3), une suspension de micro-goutelettes du composant huileux 25 dans le composant gazeux, avant d'être aspiré et comprimé dans les éléments de compression (2), entraînés par le moteur électrique (17). Dès lors que le volume utile du dispositif selon 30 l'invention est défini, ce dispositif fonctionne en circuit fermé étanche avec un volume gazeux à comprimer qui reste constant. Toutefois, ce volume constant peut varier d'une installation à l'autre, selon l'importance de l'énergie thermique à fournir par le fluide comprimé. 35 L'invention concerne également un procédé de chauffage d'un fluide compressible destiné, après compression, à fournir de l'énergie thermique pour le chauffage de locaux individuels, collectifs ou industriels, par l'intermédiaire d'un fluide liquide ou gazeux recevant des calories du fluide comprimé et chaud. Le procédé selon l'invention, qui met en oeuvre les moyens 5 techniques précédemment exposés, se caractérise en ce qu'il consiste a) à comprimer un fluide compressible à une pression au plus égale à 3.106 Pascal, dans une zone de compression, le fluide compressible étant formé d'au moins deux composants dont l'un gazeux est compressible, et l'autre est un accumulateur de calories, apportées par la transformation de l'énergie mécanique de compression en une énergie 15 thermique, b) à faire céder par le fluide comprimé et chaud les calories qu'il a accumulées à un fluide liquide ou gazeux de plus basse température, pour transformer 20 ledit fluide liquide ou gazeux en un fluide caloporteur, c) à abaisser la pression du fluide comprimé et refroidi par échange thermique à un niveau de 25 pression inférieur de 2 à 6 fois à celui pratiqué dans la zone de compression du fluide comprimé, d) à séparer les composants du fluide refroidi et détendu, e) à reconstituer le fluide compressible par le mélange des composants séparés selon des quantités appropriées, en pourcentage en volume, pour chacun d'entre eux, et à soumettre à la composition le 35 fluide compressible reconstitué par mélange. Le fluide compressible est formé d'au moins deux constituants: - l'un étant un gaz ou un mélange de gaz compressible(s), présent(s) à raison de 55 % à % en volume, - l'autre étant une huile ou un mélange d'huile 5 extrêmement finement dispersé dans le volume gazeux, en formant une suspension de microgoutelettes dans une matrice de gaz, présent à raison de 45 % à 25 % en volume, l'huile ayant la propriété d'accumuler les calories apportées par 10 la compression du gaz et de restituer au moins pour partie ces calories accumulées lors de l'échange thermique suivant la compression du fluide. Le constituant huileux du fluide compressible peut également contenir des agents divers tels que par exemple des agents ayant le pouvoir d'augmenter la capacité du fluide comprimé à accumuler des calories, puis à les restituer ultérieurement par échange thermique. 20 Comme le dispositif permettant le développement du procédé selon l'invention fonctionne en continu et en circuit fermé - la pression d'aspiration du fluide recomposé avant de le comprimer est comprise entre -0,5.105 Pascal et 2.105 Pascal, - la pression de compression du fluide recomposé à 30 comprimer peut atteindre 3.106 Pascal et est préférentiellement comprise entre 106 et 2, 5.106 Pascal, cette pression étant également celle existante au moment de l'échange thermique, - la pression à laquelle est porté, par détente, le fluide comprimé et refroidi, est de 2 à 6 fois inférieure à la pression de compression du fluide comprimé en vue de l'échange thermique. Ainsi, le dispositif et le procédé selon l'invention apportent une solution intéressante par rapport aux autres types de chauffage, aussi bien sur les aspects économiques que de respect de l'environnement car sous l'aspect des frais de fonctionnement, dispositif et procédé selon l'invention apparaissent plus économiques, - sous l'aspect de l'environnement, dispositif et procédé selon l'invention ne rejettent aucun gaz dans l'atmosphère. Exemple Le dispositif selon l'invention a été substitué pendant 30 jours, en période de froid (température externe nocturne comprise entre -11 et +10 C), à une chaudière à fioul d'une installation de chauffage central à 20 radiateurs, à circulation d'eau chaude, dans une villa de m2. - Le moteur électrique (17) était un moteur triphasé de 4 KWh. Le fluide à comprimer était formé d'un mélange air / huile dans lequel: V le volume d'air doit représenter 70 % en volume 30 dudit mélange à comprimer, V le volume d'huile (d'un grade 50) représentait % en volume dudit mélange. - Le compresseur (2) était un compresseur SCROLL qui 35 a porté le fluide à comprimer à une pression de 16.105 Pascal, dans la chambre de compression (4), tandis que régnait dans la chambre d'aspiration (3) une pression de 1,5 105 Pascal. - A la sortie de la chambre de compression (4), le fluide comprimé et chaud passait sur un échangeur thermique à plaques (5), dans lequel circulait 5 l'eau de l'installation de chauffage central. La différence de température de l'eau de l'installation de chauffage central entre l'entrée et la sortie de l'échangeur thermique (5) a varié dans un intervalle de 120C à 250C. - A la sortie du moyen d'échange thermique (5), la pression du fluide comprimé refroidi a été abaissée par détente à 5,5.105 Pascal par l'intermédiaire du robinet à pointeau (6). - Le fluide refroidi maintenu sous la pression de 5,5.105 Pascal, a été soumis à une opération de séparation, sous la pression de 5,5.105 Pascal, dans la chambre de séparation (7), libérant une phase gazeuse (l'air), recueillie par la canalisation (8) et une phase liquide (l'huile), recueillie par la canalisation (9). - Les canalisations (8) et (9) sont munies de moyens 25 (10) et (11) de dosage de chacun des composants (air et huile), séparés dans la chambre (7), et recueillis par les canalisations (8) et (9). - Ainsi, les quantités en volume (65 % d'air et 35 % 30 d'huile) sont débitées par les moyens de dosage (10) et(11), la pression régnant en amont de ces moyens étant de 5,5.105 Pascal, et en aval de ces moyens, étant de 1,5.105 Pascal, pression régnant dans la chambre d'aspiration (3). 35 - Les deux composants air et huile à débits réglés en volume ont été mélangés dans le mélangeur (14) à multivoies, puis le mélange sortant constituant le fluide à comprimer a été aspiré et dispersé dans la chambre d'aspiration (3) par le diffuseur (16). Le dispositif de production d'énergie thermique selon 5 l'invention a fonctionné ainsi en continu pendant 30 jours sans incident technique, la température étant maintenue à 20'C dans la villa de 100 m2. La dépense en énergie de fonctionnement a été, pendant 10 cette période, de 36,84 euros, soit une dépense annuelle de fonctionnement de environ 440 euros, alors que la dépense annuelle de fonctionnement au fioul aurait été de 910 euros. Revendications 1. Dispositif de production d'énergie thermique fonctionnant en circuit fermé, pour installation de 5 chauffage, à fluide caloporteur liquide ou gazeux, caractérisé en ce qu'il se compose, en combinaison nouvelle: a) d'un moyen de compression comprenant des éléments de 10 compression (2), une chambre d'aspiration (3) et une chambre de compression (4), d'un fluide compressible formé d'au moins deux composants pour le porter à une haute pression et le rendre caloporteur par transformation de l'énergie mécanique de compression 15 en une énergie thermique, b) d'un moyen d'échange thermique (5) entre le fluide comprimé à haute pression et chargé d'énergie thermique et le fluide potentiellement caloporteur 20 de l'installation de chauffage à réchauffer, en provoquant un abaissement de température du fluide comprimé à haute pression et chaud, et une augmentation de la température du fluide de l'installation de chauffage rendu caloporteur par 25 échange thermique, c) d'un moyen d'abaissement de la pression (6) du fluide comprimé à haute pression, après l'échange thermique pour le placer dans un état de basse 30 pression par détente, d) de moyens de séparation (7) des composants du fluide haute pression refroidi puis détendu, et de moyens de récupération (8) et (9) des composants séparés, 35 e) des moyens de reconstitution du fluide à comprimer (10), (11), (14), selon des quantités attachées à chacun des composants, f) des moyens d'introduction (15) et de diffusion (16) du fluide reconstitué à comprimer dans le moyen de compression (2), g) et d'un moyen d'entraînement des éléments de compression. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce 10 que le moyen de compression est préférentiellement à ailettes ou à spirales. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le fluide compressible est 15 formé de 55 % à 75 % en volume de gaz et de 45 % à 25 % d'au moins une huile caloporteuse. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la pression à laquelle le 20 fluide compressible est porté est au plus de 3.106 Pascal et préférentiellement compris entre 106 Pascal et 2,5.106 Pascal. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 25 à 4, caractérisé en ce que le moyen d'échange thermique entre le fluide comprimé à haute pression et chauffé par la compression et le fluide à chauffer, est du type fluide comprimé chaud / gaz potentiellement caloporteur ou fluide comprimé chaud / fluide potentiellement 30 caloporteur. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le moyen d'abaissement de pression du fluide comprimé refroidi est préférentiellement un robinet à pointeau, assurant le réglage de l'abaissement de la pression dudit fluide comprimé, refroidi à un niveau de 2 à 6 fois inférieur à la pression régnant dans la chambre de compression. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le fluide comprimé, refroidi et détendu, à pression abaissé, est introduit dans le moyen de séparation (7) de ses constituants, le moyen 5 étant préférentiellement une chambre de séparation dans laquelle règne une pression identique à celle du fluide refroidi et détendu, et o s'effectue la séparation des composants gazeux et des composants liquides recueillis par les moyens de collectes (8) et (9), qui sont 10 préférentiellement des tuyauteries. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les moyens de reconstitution du fluide à comprimer sont des doseurs (10) et (11) 15 délivrant les pourcentages de chacun des constituants, recueillis par les moyens de collecte (8) et (9), et mélangés dans un moyen de mélange (14). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 20 à 8, caractérisé en ce que le moyen de mélange (14) est un mélangeur multivoies. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le fluide reconstitué à 25 comprimer sortant du moyen de mélange (14) est introduit dans la chambre d'aspiration (3) par un diffuseur (16). 11. Procédé de production d'énergie thermique mettant en 30 oeuvre les moyens selon les revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il consiste: a) à comprimer un fluide compressible à une pression au plus égale à 3. 106 Pascals, dans une zone de 35 compression (2) (4), le fluide compressible étant formé d'au moins deux composants dont l'un gazeux est compressible, et l'autre est un accumulateur des calories apportées par la transformation de l'énergie mécanique de compression du fluide compressible en une énergie thermique accumulée, b) à faire céder par le fluide comprimé et chaud dans 5 une zone d'échange thermique (5) les calories qu'il a accumulées, à un autre fluide liquide ou gazeux à réchauffer, pour transformer ledit fluide liquide ou gazeux en un fluide caloporteur, c) à abaisser par détente (6) (7) la pression du fluide comprimé et refroidi par échange thermique, à un niveau de pression inférieur de 2 à 6 fois au niveau de pression. pratiqué dans la zone de compression (2) (4) du fluide comprimé, 15 d) à séparer les composants du fluide refroidi et détendu, dans une zone de séparation (7), e) à reconstituer le fluide compressible par le 20 mélange des composants séparés selon des quantités appropriées, en pourcentage en volume, pour chacun d'entre eux dans une zone de mélange (14), et à soumettre à la compression le fluide compressible reconstitué par mélange. 12. Utilisation du dispositif et du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, pour le chauffage de locaux individuels, collectifs et industriels, par eau chaude ou air pulsé chaud. 30