Brevet FR2913467A1 — publié le 20080912

La présente invention concerne un dispositif permettant de générer une source froide à partir de l'énergie thermique potentielle de notre environnement afin de transformer l'énergie thermique de celui-ci en énergies : électrique, frigorifique, hydraulique, mécanique, thermique La production de ces énergies est réalisée, dans la majorité des cas, par des moteurs thermiques ou électriques : L'énergie mécanique est produite,dans la majorité des cas, à partir de moteurs thermiques. L'énergie électrique est produite, dans la majorité de sa production à partir de moteurs thermiques. L'énergie hydropneumatique est produite généralement à partir de moteurs électriques ou thermiques L'énergie frigorifique est produite, généralement, à partir de moteurs 15 électriques. L'énergie thermique est produite, généralement, à partir de l'énergie électrique ou de la combustion de produits fossiles. Les moteurs thermiques fonctionnent à partir d' une source chaude absorbant I' énergie fournie par la combustion de produits fossiles ou la fusion 20 nucléaire et d'une source froide évacuant de I' énergie thermique dans son environnement. Le dispositif, selon l' invention, permet d'apporter une alternance à l'utilisation de la combustion de produits fossiles ou à la fusion nucleaire.11 25 comporte en effet selon une première caractéristique: Un circuit fermé de gaz à haute pression dont la température de liquéfaction est faible, par exemple de l'hydrogène à 2OMPa (200bars). Un dispositif de contrôle par réglage ou régulation de puissance ou de vitesse de rotation du moteur thermique. Il est constitué soit d'un système de réglage de 30 débit (vanne ou électrovanne) soit d'un système de réglage de pression (détendeur réglable). Son entrée est raccordée à la sortie du réchauffeur et sa sortie à l'entrée du moteur thermique avec la même section à l'entrée et à la sortie. Un moteur thermique soit du type turbine(s) à gaz, soit du type volumétrique (de 35 cycle stirling de préférence). Son entrée est raccordée à la sortie du dispositif de contrôle et sa sortie au générateur de source froide. Un générateur de source froide constitué principalement par une chambre de détente qui permet cle ramener ce gaz à une pression et une température d'environ dix fois plus faible (température en degré kelvin) que celle 40 de l'entrée du moteur un accélérateur constitué d'une turbine ou d'un compresseur et d'une tuyère qui propulse ce gaz en augmentant sa pression et sa vitesse. Cet accélérateur assure principalement le démarrage du dispositif. Il est entraîné soit directement par le moteur thermique (principalement si celui-ci est à turbine) soit par un moteur électrique. Ce générateur est parfaitement isolé thermiquement, son entrée est raccordée à la sortie du moteur et sa sortie est raccordée au réchauffeur. Sa section de sortie est la même que celle de l'entrée du réchauffeur. Un réchauffeur constitué de : un échangeur à plaques dont la section du circuit de gaz est constante de l'entrée à la sortie, et dont l'extérieur est structuré d'ailettes à travers desquelles de l'air est pulsé. Cet échangeur à la particularité de récupérer l'eau, encore à l'état liquide, provenant de la condensation de l'humidité de l'air. un carter de chauffage avec une entrée d'air pulsé à la température de l'environnement. Ce carter assure le chauffage de l'échangeur en forçant cet air à pénétrer entre ses ailettes. La sortie de ce carter est raccordée soit à un circuit de refroidissement (exemples : d'une chambre froide ou d'un climatiseur), soit au brasseur d'air un brasseur d'air dont la fonction est de réchauffer l'air de chauffage du dispositif pour éviter un rejet trop froid dans l'environnement. Il est constitué d'un carter avec une entrée raccordée à la sortie du carter de chauffage d'air, d'une entrée d'air pulsée à la température de l'environnement, d'ailettes de brassage, d'une sortie dans l'environnement et d'un récupérateur d'eau à l'état liquide provenant de la condensation de l'humidité de l'air une turbine propulsant l'air de l'environnement dans le carter de chauffage et dans le carter du brasseur. Cette turbine, entraînée directement ou indirectement par le moteur thermique, peut participer à la régulation de puissance du moteur thermique Selon des modes particuliers de réalisation et selon des applications particulières Le dispositif produit de l'énergie électrique et de l'énergie mécanique. Son moteur thermique est un moteur à turbines. La régulation de la vitesse de rotation de la turbine est asservie pour produire de l'énergie électrique sinusoïdale de 220V, 50Hz.. Le démarrage est effectué par un moteur électrique alimenté par une 35 batterie. L'énergie mécanique est produite par un moteur hydraulique. Son énergie est générée par une pompe hydraulique accouplée au moteur thermique. La conduction thermique entre cette pompe et l'arrivée du gaz jusqu'à la turbine H.P. du moteur est assurée pour refroidir la pompe tout en assurant un rendement 40 énergétique maximum.La turbine à air du réchauffeur est actionnée par un moteur hydraulique accouplé à cette pompe. 1 - Le circuit de gaz fermé à haute pression est un circuit d'hydrogène de 2OMPa à 291 K. ( 200 bars à 18 C). 2 û Le dispositif de contrôle est un asservissement de pression (du gaz) à la fréquence (50Hz) de l'énergie éléctrique produite. Sa sortie est raccordée à l'entrée du moteur. 3 û Le moteur est un moteur à turbines à deux étages. Le gaz entraîne la turbine haute pression (H.P.) puis la turbine moyenne pression (M.P.) L'axe du moteur est relié directement à l'alternateur, la pompe hydraulique, l'accélérateur du refroidisseur et le moteur électrique de démarrage. La sortie du moteur est raccordée au refroidisseur 4 û Le refroidisseur est constitué de la chambre de détente et de l'accélérateur. Cet ensemble est parfaitement isolé thermiquement. Le gaz, refroidi dans la chambre de détente est pulsé à basse pression par l'accélérateur, vers le réchauffeur. La chambre de détente est caractérisée par sa tuyère dont la section d'entrée est 15 plus petite que sa section de sortie. Le gaz, en la traversant à sa pression divisée par 10. L'accélérateur est constitué d'une turbine basse pression (B.P.) et d'une tuyère d'accélération dont la section de sortie est la même que celle d'entrée du réchauffeur. Pendant la phase de démarrage l'accélérateur actionné par le 20 moteur électrique basse tension, pulse le gaz et permet d'établir le cycle thermique. 5 û Le réchauffeur est constitué d'un échangeur à plaque, d'un brasseur d'air, d'une turbine à air et d'un carter . Le gaz passe dans l'échangeur à plaque de section constante et égale à celle de l'a sortie de la tuyère. Sa température passe 25 de quelques dizaines de K à la température proche de l'ambiante ( entre 250 K et 300 K ). Sa pression passe de 2MPa à une vingtaine de Mpa. Avant de rejeter l'air du réchauffeur dans l'atmosphère, il est réchauffé dans le brasseur d'air. L'échangeur à plaque a la particularité de récupérer l'eau à l'état liquide de l'atmosphère et condensé par son refroidissement. L'eau est envoyée au 30 récupérateur extérieur d'eau. II est muni d'ailettes qui assurent l'échange thermique par convection forcée. Pour assurer une bonne conduction thermique entre le gaz et et l'échangeur, celui-ci est constitué de deux plaques d'aluminium de 5 mm d'épaisseur distantes de 1 à 2 mm et formant des demies-buses d'entrée et de sortie. Un joint en PTFE assure l'écart entre ces 2 plaques et 35 l'étanchéité. La section de passage du gaz est constante et égale à celles des buses d'entrée et de sortie. Le brasseur d'air est équipé de deux entrées et de deux sorties. L'entrée 1 est raccordée à la sortie d'air de l'échangeur L'entrée 2 est raccordée à l'arrivée d'air de chauffage 40 la sortie 1 pulse dans l'atmosphère l'air brassé La sortie 2 est raccordée au récupérateur d'eau. Le carter à la particularité de forcer l'air de chauffage dans les ailettes de l'échangeur de la partie chaude vers la partie froide. La turbine à air a pour fonction : de prendre l'air de l'environnement, pour chauffer le gaz de réchauffer l'air de chauffage avant rejet dans l'atmosphère par brassage. Elle est actionnée par un moteur hydrolique raccordé à la pompe hydraulique du dispositif. 6 û L'ensemble du dispositif est contenu dans une enceinte parfaitement étanche et remplie d'hydrogène à une pression d'environ 0,15 MPA. L' extérieur de cette enceinte assure une isolation phonique et les pieds de fixation du système sont munis de cylindres-blocs afin d'éviter de communiquer des vibrations au sol ou au berceau moteur. Selon d'autres modes particuliers de réalisation et selon des applications particulières 1 - Pour la production des énergies thermiques: le moteur thermique entraîne un compresseur pneumatique. L'énergie thermique engendrée par la compression est transmise à un fluide caloporteur . 2 - Pour la production des énergies mécaniques, il est souhaitable d'éviter une liaison mécanique directe entre le moteur thermique et la sortie de l'enceinte du dispositif afin de garantir son étanchéité . La transmission entre l'intérieur et l'extérieur de l'enceinte sera de préférence de type électrique, hydraulique ou magnétique. Le convertisseur d'un de ces types d'énergies / mécanique sera à l'extérieur du dispositif. 3 - Pour la production des énergies frigorifiques le réchauffeur pourra ne pas 25 être équipé de brasseur. Le réchauffeur transmet, dans ce cas, les frigories à un fluide caloporteur. 4 - Le moteur thermique du dispositif peut être un moteur volumétrique du type stirling. Dans cette application particulière les éléments : cylindre et tête de cylindre de la source chaude sont maintenus à la température de l'environnement 30 par conduction thermique et les eléments de la source froide sont des éléments du refroidisseur. Les pistons des cylindres des sources chaudes et des sources froides peuvent être directement raccordés. Les pistons des compresseurs hydrauliques peuvent être eux aussi accouplés directement. Le dispositif, selon l'invention est particulièrement destiné : 35 Aux besoins en énergie qui ne necessitent pas de variations trop brutales de puissances. Pour l'usage routier le manque de frein moteur est un sérieux inconvénient : il augmente l'usage du frein qui entrainera l'usure plus rapide et un manque d'efficacité par un échauffement lors de freinages très fréquents où prolongés cas en circulation urbaine ou en montagne. 40 A la production décentralisée d'électricité et de chauffage : maison particulière, immeuble, hôpitaux, bureaux, magasins, etc.. A la production des énergies: électrique, hydraulique, pneumatique, thermique, frigorifique dans les entreprises A la propulsion et production des énergies : train, navire, sous-marin, submersible, avion , etc. A la climatisation Au pompage, forage, désalinisation de l'eau de mer. 10 15 20 25 30 35 Revendications 1 û Le motheur thermique fonctionne avec circuit de gaz fermé à haute pression à la température ambiante. - caractérisé par un gaz dont la température de fusion est de quelles dizaines de degrés(en K) comme l'hydrogène et l'hélium et dont la commercialisation est générale à 20 Mpa et dont l'évolution de la commercialisation est prévu à 35 MPa puis à 70 Mpa pour l'hydrogène. 2 û Le moteur thermique fonctionne avec une énergie thermique basse 10 température. caractérisé par un chauffage utilisant l'air à la température ambiante pulsé dans un réchauffeur. caractérisé par l'évacuation de l'humidité de l'air, dans le réchauffeur, avant sa liquéfaction. 15 3 û La source chaude du moteur est à la température ambiante. - caractérisé par des conditions fonctionnements de 200 K à 530 K 4 û Le moteur thermique fonctionne avec une source froide à très basse température. - caractérisé par une température de quelques dizaines de K. 20 5 û Le refroidisseur du dispositif génère la température de la source froide. caractérisé par sa forme avec une section d'entrée plus faible que sa section de sortie et sa caractéristique dynamique amenant ce gaz à une température 10 fois plus faible qu'à l'entrée du moteur. -caractérisé par son accélérateur qui multiplie la pression par un coefficient de 25 l'ordre de 2. 30 35