Brevet FR2870561A1 — publié le 20051125

La présente invention concerne un mécanisme permettant de fournir une énergie noble, mécanique, électrique, ou thermique, à partir d'une énergie thermique voire pneumatique. Elle nécessite une unique source thermique mais elle peut être étendue à un système bi-thermique plus classique. La source thermique fournit la chaleur que le système transforme en énergie noble. De cet unique potentiel thermique est générée, par le mécanisme, la différence de potentiel thermique nécessaire à un système moteur classique tel qu'une turbine à vapeur. Ainsi ce mécanisme mono therme déroge à la compréhension classique du principe de Carnot qui veut qu'il ne puisse exister de système moteur en l'absence de deux sources thermiques. Par ailleurs le rendement maximal de Carnot n'a plus de raison d'être dans un système mono therme, l'invention est un mécanisme efficace comme le sont les pompes à chaleur. Traditionnellement les moteurs utilisent presque uniquement les qualités détonnantes du carburant et dédaignent l'énergie thermique résiduelle. Parfois ils en utilisent une faible partie, le plus souvent ils l'évacuent. Il est intéressant de noter que les moteurs traditionnels exploitent seulement trente cinq pour cent de l'énergie qu'ils utilisent, le reste, soit soixante cinq pour cent, est perdu sous forme thermique. Des mécanismes complexes, comme le couplage d'une turbine à gaz et d'une machine à vapeur, obtiennent des rendements meilleurs mais tous sont très nettement inférieurs à un. A ce jour seules les pompes à chaleurs sont des mécanismes efficaces fournissant plus d'énergie thermique qu'elles ne consomment d'énergie noble. Par ailleurs les moteurs gèrent uniquement la source chaude, la source froide est généralement le milieu ambiant. Dans l'état de l'art, il est quasiment impossible de réaliser un véritable mécanisme de détente isotherme pour un système industriel. Enfin, les mécanismes thermodynamiques traditionnels sont d'une conception relativement simple dans le sens où le rendement du mécanisme peut être calculé directement à partir des conditions de fonctionnement. En général les boucles qu'ils utilisent sont celles des systèmes fermés, ils ne les utilisent pas en vue de créer des systèmes itératifs pour lesquels le rendement n'est plus le résultat d'un simple calcul mais résulte de la convergence du système itératif. Le mécanisme selon l'invention se distingue par son excellent rendement, nous parlerons d'efficacité, et son mode de fonctionnement mono-thermique à la base. Cette singularité est obtenue en exploitant les propriétés thermodynamiques des gaz décrits ci après. Le gaz admis en entrée est pourvu d'un potentiel d'énergie thermique, grandeur absolue. Ce potentiel est partiellement transformé en énergie 2870561 2 noble en générant un différentiel thermique autour de la température de référence, en interne le mécanisme génère un point chaud et un point froid. Ce delta est entretenu et accru grâce aux compresseur et turbine adiabatiques qui amplifient cet écart de température. Un mécanisme classique, tel qu'une turbine à vapeur, transforme ensuite cette différence de potentiel thermique en énergie noble. Le mécanisme se distingue par l'utilisation de la boucle véhiculant la variation d'enthalpie, boucle de vaporisationcondensation pour une turbine à vapeur, comme un mécanisme itératif amplifiant l'abaissement de température du point froid. L'utilisation des propriétés thermodynamiques des gaz dont use le mécanisme sont les suivantes. Le mécanisme utilise la détente et la compression adiabatiques comme des amplificateurs thermiques produisant un accroissement ou une diminution de la température initiale. Ces deux processus thermodynamiques très proches ne sont pas utilisés de la même façon. L'amplificateur par détente prend en entrée deux sources thermiques, la source froide qui correspondrait à la base d'un transistor en électronique, abaisse la température de la source tempérée qui correspondrait à l'émetteur du même transistor. Après une détente adiabatique le gaz déjà refroidi ressort avec un abaissement thermique amplifié. L'amplificateur par compression prend en entrée une source thermique et une source énergétique, par une compression adiabatique classique nous obtenons un gaz comprimé ayant sa température initiale amplifiée. Ces deux processus permettent de créer une différence de potentiel thermique à partir d'un seul et même potentiel. Ils permettent de contrôler le point chaud et le point froid du mécanisme. Au démarrage le mécanisme consomme de l'énergie noble, puis aux abords de son équilibre il peut s'autoalimenter pour devenir ensuite efficace et fournir une énergie. Dès lors il consomme uniquement l'énergie thermique de son milieu ambiant (au niveau du bilan énergétique). Son fonctionnement ne nécessite pas l'apport constant d'une énergie noble extérieure à l'invention. Le mécanisme selon l'invention permet de réaliser avantageusement une détente isotherme. Un travail équivalent, et même supérieur, à celui d'une détente isotherme est obtenu par l'invention à partir d'une détente adiabatique du gaz comprimé par amplification de l'abaissement de température qu'elle produit. Ce différentiel de température amplifié permet au mécanisme d'être efficace malgré le mauvais rendement des éléments transformant une différence de potentiel thermique en énergie noble, tel que les machines à vapeur par exemple. Il faut noter que le choix du type de liquide/gaz pour une machine à vapeur est important. Il sera préféré tous 2870561 3 les gaz ayant un grand écart entre les températures de leur point critique et de leur point triple. La température de leur point triple devant être de préférence basse, légèrement inférieure au point froid du mécanisme. La température du point critique devant être de préférence supérieure aux températures ambiantes pour éviter des démarrages délicats. A titre d'exemple nous donnerons l'éthane dont la température du point triple est de l'ordre de 90 Kelvin (-183 C), et celle du point critique est de 305 Kelvin (+32 C). Le but étant, pour un cycle vapeur, de choisir un gaz qui offre le meilleur rendement entre le point chaud et le point froid du mécanisme. Afin d'éviter toute confusion nous noterons dans le texte qui suit "gaz P" l'air/gaz du circuit primaire et "fluide S" le fluide du circuit secondaire, parfois aussi appelé "gaz S" ou "liquide S" lorsque le choix d'une turbine à vapeur est proposé. Une autre approche plus classique, mais moins performante, utilise une seconde source de chaleur, tel qu'un brûleur. Elle a pour but d'augmenter la température du point chaud interne. Du fait que les seules propriétés thermiques résultant de la combustion du carburant nous intéressent, le combustible peut être de nature très variée, ainsi il permet d'utiliser des produits écologiques tels que les alcools, le méthane,... des carburants rustiques obtenus à partir de la biomasse sans plus value importante. Il pourrait aussi s'agir d'un apport thermique provenant d'un capteur solaire, ce sont là des exemples possibles mais non limitatifs. Ainsi qu'il a été dit le mécanisme selon l'invention base son mécanisme sur la chaleur, les compression/détente ne servent qu'à des fins thermiques et non pour l'énergie pneumatique elle même. En interne le mécanisme gère non plus la seule source thermique chaude mais les deux sources, et principalement la source froide, contrairement aux moteurs classiques qui ne contrôlent que la source chaude. Selon certains types de montage l'invention fonctionnera en mode soit ouvert soit fermé. Dans le premier cas elle s'alimente en énergie thermique tout en absorbant le gaz P du milieu ambiant, dans le second cas le gaz P nécessaire au fonctionnement est en circuit fermé, il se charge en énergie thermique via un échangeur. Enfin il est possible d'ajouter une source chaude au mécanisme. Selon les modes particuliers de réalisation: - une source chaude peut être ajoutée avant ou après le compresseur. - un échangeur/condensateur peut être ajouté entre la turbine à vapeur et le condensateur. Cet échangeur supplémentaire sera particulièrement intéressant dans le cas de l'ajout d'une source chaude. 2870561 4 - le contrôleur d'injection peut utiliser des critères différents, le niveau de liquide dans la partie chaudière, la différence de température entre le gaz avant détente et le liquide en entrée du point chaud,... - le mécanisme dispose des capteurs nécessaires au contrôleur, ils sont propres au critère d'asservissement retenu. Quelques exemples ont été cités ci dessus, tel qu'un capteur de niveau de liquide S dans le point chaud par exemple. - le circuit vapeur du mécanisme peut disposer de dispositif de purge, de réserve d'appoint de liquide, de contrôleur de pression, de système de sécurité... - le flot de fluide S traversant la totalité du point chaud peut être constant, dans ce cas la composante dynamique du flot nécessaire à l'amplification du froid suit un circuit différent du flot constant. Par exemple, pour un mécanisme avec turbine à vapeur, après avoir abaissé la température du gaz P avant détente, le flot dynamique passe par un échangeur extérieur ou le liquide se vaporise à la pression saturante correspondant à la température ambiante. Ce montage multiplie les échangeurs, turbines, et injecteurs, il est donc coûteux, par contre il transforme plus d'énergie thermique pour un débit constant du compresseur, Il exploite mieux la différence d'enthalpie générée dans le point froid. - l'invention utilisée pour effectuer une détente de type isotherme, par exemple, ne comprendra pas de compresseur. Le gaz comprimé lui est fourni par un dispositif 20 extérieur. - la turbine à vapeur peut disposer des techniques optimisant ce type de mécanisme. - un mécanisme autre qu'une turbine à vapeur peut être utilisé pour convertir la différence thermique créée par l'invention en énergie noble. - la turbine adiabatique peut être remplacée par un autre mécanisme de détente adiabatique, la turbine ne fournissant que peu d'énergie il est possible de faire l'économie d'un mécanisme coûteux. Il est également possible de faire de cette turbine un élément moins onéreux et utile au mécanisme, comme par exemple utiliser la détente pour accroître la compression du gaz, et donc sa température, en entrée du point chaud. Cette solution offre l'avantage d'amener le mécanisme plus rapidement à son point de convergence. Les dessins annexés illustrent l'invention: La figure 1 représente un schéma du dispositif de l'invention en mode fermé fonctionnant avec une unique source thermique. La figure 2 représente un exemple d'implémentation de l'invention en mode ouvert fonctionnant avec une unique source thermique. 2870561 5 La figure 2 représente un exemple d'implémentation de l'invention en mode fermé fonctionnant avec une unique source thermique. En référence au dessin 1, le dispositif comporte deux circuits. Le premier circuit appelé circuit primaire est composé des éléments 1, 2, 3, 4, et 7, le circuit secondaire fermé est composé des éléments 2, 5, 4, et 6. Le circuit primaire commence par un compresseur (1), le gaz P pénètre dans le compresseur à une température Ta puis ressort échauffé par la compression dans l'échangeur du point chaud (2). Le point chaud est un grand échangeur dont l'extrémité coté compresseur est la partie chaude, de température quasi constante, alors que la partie proche de la turbine est une partie froide, sa température baisse progressivement durant le démarrage jusqu'à stabilité du système. A l'état stable la température du gaz avant détente est très nettement inférieure à Ta. En (3) une turbine adiabatique détend le gaz P déjà froid et amplifie cet abaissement de température. Le gaz P détendu et très froid pénètre dans l'échangeur du point froid (4) pour en ressortir à la température Tb, avec Tb Ta. TaTb donne l'ordre de grandeur du travail efficace de l'invention. Dans le mode ouvert le gaz P est relâché, ici en mode fermé il passe ensuite dans un échangeur (7) en contact avec l'unique source thermique où le gaz P se recharge en chaleur, puis recommence un cycle et entre dans le compresseur (1) à la température Ta de la source thermique. Le circuit secondaire est constitué d'un système d'injection (6) qui gère le débit du fluide S très froid dans l'échangeur (2) du point chaud. Le fluide S refroidit le gaz P avant détente puis se charge de sa chaleur au fur et à mesure qu'il progresse, il fournit ensuite cette énergie, la différence d'enthalpie qu'il véhicule entre les deux échangeurs (2) et (4) au système (5) qui la transforme en énergie noble. A titre d'exemple non limitatif ce mécanisme peut être une turbine à vapeur, le fluide étant alors un gaz passant des états gazeux dans l'échangeur (2) à liquide dans l'échangeur (4). Les figures 2 et 3 proposent un type de réalisation de l'invention ayant ce choix là. Enfin le fluide S se refroidit dans l'échangeur (4) au contact du gaz P qui y est très froid, puis il recommence un cycle en étant pompé par le système d'injection (6) qui l'introduit dans l'échangeur (2). En référence aux dessins 2 et 3 qui donnent deux configurations possibles de l'invention. Le dispositif comporte les deux circuits décrits ci dessus, le circuit primaire est composé des éléments 21, 22, 26, et 27 en mode ouvert soit 21, 22, 26, 27, et 33 en mode fermé, le circuit secondaire est composé des éléments 24, 23, 29, 30, et 28. Le circuit primaire commence avec le compresseur (21), le gaz P entré avec une 2870561 6 température Ta correspondant à l'unique source thermique, ressort échauffé par la compression adiabatique dans l'échangeur du point chaud (22). Le point chaud est un grand échangeur dont l'extrémité coté compresseur est la partie chaude de température quasi constante, alors que la partie proche de la turbine est une partie froide, sa température baisse progressivement durant le démarrage jusqu'à stabilité du système. A l'état stable la température du gaz P avant détente est très nettement inférieure à Ta. Ces contraintes thermiques font de l'échangeur (22) une pièce importante dans l'invention. Il doit favoriser les échanges thermiques entre les deux fluides des circuits primaire et secondaire tout en limitant les pertes thermiques, chaude et froide, de l'échangeur avec l'extérieur ainsi que les échanges internes entre les deux potentiels thermiques des mêmes fluides. Le gaz P ne doit être refroidit, dans l'absolu, que par le liquide S; de même dans l'échangeur du coté turbine à détente adiabatique le liquide S ne doit être réchauffé que par ses échanges thermiques avec le gaz P. Le but étant d'amplifier au maximum cette différence de potentiel thermique. En (26) la turbine adiabatique détend le gaz déjà froid et amplifie cet abaissement de température. Une faible part de l'énergie pneumatique du gaz est transformée par la turbine en énergie noble, la majeur partie servant à abaisser la température dans le processus adiabatique. Le gaz détendu et très froid pénètre dans l'échangeur du point froid (27), là il se charge de l'énergie thermique non transformée par la turbine à vapeur pour ressortir de l'échangeur (27) à la température Tb. Dans le mode fermé le gaz P froid passe ensuite dans un échangeur (33) en contact avec l'unique source thermique où il se recharge en chaleur, puis recommence un cycle et entre dans le compresseur (21). Le circuit secondaire est constitué d'un injecteur/pompe (24) qui injecte le liquide S très froid dans le capteur/radiateur (23) de l'échangeur (22) du point chaud. Le liquide S refroidit le gaz P avant détente puis se charge de sa chaleur au fur et à mesure qu'il progresse, il se vaporise, par sa pression il active la turbine à vapeur (29) puis se condense via (30) et (28). Dans le capteur (28) de l'échangeur (27) du point froid le gaz S se condense puis prend une température très basse qui servira à amplifier le froid en aval de la turbine (26). L'injecteur (24) est commandé par un contrôleur (25) qui gère le débit du liquide S. Le but du contrôleur (25) est d'optimiser le débit afin de tirer le meilleur parti des écarts d'enthalpie mais aussi de les amplifier en abaissant la température du gaz avant sa détente adiabatique. Pour ce faire il utilise des capteurs propres au type d'asservissement désiré. Le plus simple est d'asservir l'injecteur sur le niveau du liquide S dans le capteur (23) de l'échangeur (22) du point chaud. Les points chaud et froid sont isolés par des compartiments isolants (31) et (32). Au démarrage nous fournissons de l'énergie noble au mécanisme pour activer le compresseur (1) et le système d'injection (6). Le compresseur (1) accroît la température et la pression du point chaud (2), la température avant détente diminue progressivement avec celle du point froid par le mécanisme d'amplification du froid. Plus la différence d'enthalpie du fluide S entre les échangeurs (2) et (4) augmente plus le mécanisme convertissant cette différence d'enthalpie en énergie noble fournit d'énergie. A partir d'un certain seuil de température la turbine à vapeur, pour prendre cet exemple, fournit plus d'énergie que le compresseur et l'injecteur n'en consomment, le mécanisme entre dans son état efficace. Les rendements de machines telles que les turbines à vapeur étant très faibles, ils avoisinent couramment les 0.3, l'invention nécessite une très importante amplification de l'abaissement en température comparée à l'amplification par compression pour pouvoir entrer dans l'état où elle devient efficace. Cette contrainte dépend du choix de fluide et de ses conditions de travail, dans les conditions de climat tempéré ou froid l'éthane est un bon candidat possible à cette fonction pour les raisons exposées précédemment. Selon des modes particuliers si l'efficacité du mécanisme n'était pas suffisante ou pour avoir une énergie impulsionnelle plus importante, pour un moteur de voiture par exemple, il serait opportun d'ajouter un apport en énergie, tel qu'un brûleur. Il s'en suivrait des modifications du circuit secondaire au niveau du/des condensateur et de l'élément convertissant la différence d'enthalpie en énergie noble, la turbine à vapeur pour les figures 2 et 3. Selon des variantes non illustrées, l'invention peut être équipée d'éléments permettant la transformation d'une variation d'enthalpie en énergie noble autres qu'une turbine à vapeur proposée dans les schémas. Les changements d'état liquide-vapeur peuvent alors ne plus être nécessaire au mécanisme. Ces éléments peuvent aussi être des mécanismes plus complexes optimisant les turbines à vapeur, il est à noter que l'art de la technique actuelle dispose d'un savoir faire très important dans ce domaine. Selon des variantes non illustrées le mécanisme peut disposer d'apport énergétique supplémentaires. A titre d'exemple non limitatif, on peut citer un apport thermique par capteur solaire, par brûleur, ou encore par une source thermale. Selon une variante non illustrée, il est possible que la fonction de compression fasse partie d'un mécanisme extérieur fournissant un gaz pressurisé, c'est typiquement le cas lors d'une détente pseudo-isotherme. Le mécanisme peut ne pas comporter de compresseur. Selon des variantes non illustrées le mécanisme peut ne pas utiliser de turbine à détente adiabatique. Cet élément rapporte peu d'énergie, donc tout mécanisme réalisant une détente adiabatique est possible. A titre d'exemple non limitatif d'autres solutions sont possibles nous pouvons citer, une turbine convertissant l'énergie pneumatique directement en énergie mécanique. La détente entraînerait un compresseur en amont du point chaud, ou fournirait l'énergie mécanique à l'injecteur. Selon des variantes non illustrées, le type de fluide S utilisé par la turbine à vapeur ou son mécanisme équivalent est laissé au libre choix de l'utilisateur. Dans le cas d'une turbine à vapeur la nature du gaz S utilisé changera selon la température obtenue après détente, elle varie en fonction du taux de compression du gaz. Ainsi le gaz S fournissant le meilleur rendement à la turbine à vapeur dans un contexte donné, avec un certain taux de compression, ne sera peut être pas le même pour un taux différent. Dans la pratique les caractéristiques du gaz S choisi détermineront le taux de compression optimal et réciproquement. Selon des variantes non illustrées l'invention peut disposer de mécanismes permettant aux éléments consommateurs de prélever directement l'énergie nécessaire à leur fonction sur les éléments producteurs. De tels dispositifs sont très intéressants, ils permettent de faire croître l'efficacité du mécanisme en réduisant les pertes dues aux conversions d'énergie inutiles. Par exemple nous gagnerons à remplacer une cascade de conversions énergie mécanique-électrique coté consommateur puis énergie électrique-mécanique coté consommateur par une liaison mécanique transmettant un couple entre un élément productif et un élément consommateur. Selon des variantes non illustrées l'invention peut disposer de mécanisme propre au démarrage. A titre d'exemple non limitatif, il peut s'agir d'un moteur fournissant l'énergie mécanique nécessaire à un ou plusieurs éléments consommateurs. Selon des variantes non illustrées l'invention peut disposer d'éléments isolants autres que ceux proposés ou agencés différemment. Selon des variantes non illustrées l'invention peut avoir ses éléments orientés différemment, à titre d'exemple non limitatif, il pourrait être choisi d'orienter les éléments de sorte à favoriser l'écoulement naturel des fluides, les parties chaudes vers le haut et froides vers le bas. Selon des variantes non illustrées l'invention peut être agencée différemment, par exemple les deux échangeurs peuvent être juxtaposés et non dans le prolongement l'un de l'autre... 2870561 9 Le mécanisme selon l'invention est particulièrement destiné aux fonctions de type moteur et générateur, mais également à toutes celles qui manipulent l'énergie thermique telles que les systèmes de climatisation, de recyclage thermique, mais aussi les processus de détente de gaz. L'invention génère une énergie supérieure à une détente isotherme, elle sera donc utile pour ce type de mécanisme jusqu'ici sans solution industrielle. L'invention favorisera le stockage d'énergie sous forme thermique, compte tenu qu'elle offre un moyen simple de conversion inverse. 2870561 10 REVENDICATIONS 1) Mécanisme permettant de convertir l'énergie thermique d'une unique source de chaleur en énergie noble. Il est caractérisé en ce qu'il est mono-therme, la source chaude et la source froide nécessaires au fonctionnement d'un système moteur classique sont générés par le mécanisme en interne. Il peut être efficace, ne nécessitant l'apport d'énergie noble qu'à son démarrage. Il comporte deux circuits, un circuit primaire constitué d'un compresseur et d'un détendeur adiabatiques, un circuit secondaire constitué d'un mécanisme convertissant une différence d'enthalpie en énergie noble, par exemple une turbine à vapeur, et d'un ensemble d'échangeurs thermiques dont les fonctions sont de transférer et de véhiculer la différence d'enthalpie ainsi que d'amplifier l'abaissement de température du point froid. 2) Mécanisme selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un/des apport 15 énergétique supplémentaire ponctuel ou permanent. 3) Mécanisme selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il ne dispose pas de compresseur, le gaz lui étant fournit comprimé. 4) Mécanisme selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le mécanisme réalisant la détente adiabatique est autre qu'une turbine. 5) Mécanisme selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le mécanisme convertissant la différence d'enthalpie en énergie noble soit plus complexe que l'exemple pris dans les figures et puisse induire des aménagement du circuit secondaire. 6) Mécanisme selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un dispositif additionnel permet d'utiliser tout ou une partie de l'énergie 30 thermique du point chaud ou du point froid. 7) Mécanisme selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un dispositif permet de prélever l'énergie noble nécessaire au bon fonctionnement des éléments consommateurs sur les producteurs, partiellement ou en totalité.