Brevet FR2916225A1 — publié le 20081121

La présente invention concerne un moteur thermique à haut rendement dont la source principale de fonctionnement est l'énergie calorifique ambiante que recèlent l'air ou l'eau dont nous disposons à profusion sur Terre. Celui-ci se compose également d'un dispositif auxiliaire dont la source d'énergie 5 calorifique provient de la combustion d'un carburant de type quelconque ou d'une source électrique. L'ensemble du système est caractérisé par le fait qu'il fonctionne pratiquement sans pertes calorifiques. L'idée inventive ici exposée part de la constatation suivante : C Dans les conditions normales de pression, 1 m3 d'air contient 1.200 Joules d'énergie calorifique par degré Celsius de température et 1 m3 d'eau contient 4.185.000 Joules par degré Celsius dans les mêmes conditions. En ne considérant que l'élément air ambiant dans un premier temps. Si l'on refroidit 1 m3 d'air de + 15 C à ù 27 C et que l'on puisse par un moyen approprié 15 transformer en travail, avec un minimum de pertes thermiques, l'énergie calorifique extraite en une seconde, l'on pourrait développer une puissance théorique de 50 kW. En supposant, dans les mêmes conditions, un tel dispositif installé dans une tuyère de 1 m2 de section et avançant à la vitesse modeste de 36 km/heure, soit 10 m/s, c'est 500.000 Joules qui transiteraient en une seconde au travers de ce dispositif et 2 0 développeraient une puissance théorique de 500 kW. Ceci suppose évidemment une maîtrise quasiment parfaite de la suppression des fuites calorifiques habituellement perdues par échappement, rayonnement, frottement ou conduction, c'est à dire leur récupération presque totale et leur transformation immédiate en travail. 2.5 C'est ce que se propose de réaliser la présente invention. L'état de la technique actuelle ne permet pas à ce jour de transformer la chaleur ambiante de l'air ou de l'eau en travail communément exploitable. Le rendement des meilleurs moteurs thermiques ne dépasse guère les 40 %. La présente invention autorise cette transformation et permet un rendement non 3 0 atteint à ce jour. Celle-ci repose sur le principe général des thermo-pompes, sur celui des appareils réfrigérants et des condenseurs-évaporateurs, le tout intégré dans un dispositif tel, que les pertes calorifiques habituelles sont entièrement récupérées et transformées en travail, permettant ainsi un rendement thermique maximum du moteur . 35 Le type de moteur décrit ci-après n'est qu'un exemple très schématique de l'invention. Adapté à un véhicule il peut être réalisé d'une manière bien plus compacte et rationnelle. Le dessin est simplifié au maximum et très expansé pour la clarté des explications. Il n'est ni à l'échelle ni en perspective. La description est simplement destinée à en exposer le principe général et le fonctionnement. Les différents organes, de 40 régulation, de transmission, détendeurs et autres appareils habituels, nécessaires et bien connus mais ne faisant pas l'objet d'une revendication dans le cadre de l'invention ici exposée ne sont pas représentés. Le moteur décrit ici est particulièrement tourné vers la production d'énergie électrique. Adapté à un véhicule il est évidemment du genre hybride si le réchauffeur tire son énergie calorifique d'un carburant quelconque, sa transmission peut être mécanique ou électrique. Il est constitué d'un turbo-compresseur (2), électrique ou autre, à moyenne pression situé après l'entrée d'air (1) d'une tuyère (3) semblable à celle d'un turbo-réacteur d'aviation mais sans en avoir ni le principe ni la finalité. Cette tuyère canalise un X10 flux d'air d'avant en arrière dû à l'action du compresseur (2) et à la vitesse éventuelle de la machine. Le flux d'air fortement comprimé et réchauffé traverse un évaporateur multitubulaire (4) à grande surface de chauffe afin de provoquer la vaporisation rapide d'un liquide volatil adéquat, tel que l'ammoniac ou l'un des dérivés du fréon par 15 exemple, situé dans un réservoir sous-jacent (5). A 111,5 qui est la température critique de la vapeur saturante du fréon, la pression de celle-ci est déjà de 40,9 kg/cm2. Un électro-compresseur à haute pression (6) aspire les vapeurs de fréon au fur et à mesure de leur formation dans l'évaporateur (4) accélérant encore la vitesse de vaporisation par la dépression créée. Ce compresseur (6) est réglé de telle façon qu'une 2 0 pression de l'ordre de 3,5 kg/cm2 soit maintenue dans l'évaporateur, afin de stabiliser la température correspondante d'ébullition du fréon légèrement au dessus de 0 C. En traversant l'évaporateur (4), le flux d'air initial, plus ou moins humide, a abandonné une partie de ses calories au profit du changement d'état physique du fréon. Il s'est donc également refroidi à prés de 0 . Mais étant toujours sous une assez forte 2.5 pression, il s'est en conséquence asséché par condensation de la vapeur d'eau et s'est légèrement réchauffé au passage, de par la chaleur latente que celle-ci lui a abandonné en se liquéfiant. Ce flux d'air asséché, encore chargé de calories, passe ensuite au travers d'un filtre déshydrateur (7) complétant ainsi sa déshumidification pour traverser finalement un 30 nouvel évaporateur (8) dans lequel le fréon va de nouveau se vaporiser. Un compresseur à haute pression (9) aspire les vapeurs de fréon formées par l'apport de la chaleur résiduelle du flux d'air. Il est réglé de façon à ce que la dépression crée par son aspiration soit stabilisée à 0,7 kg/cm2 environ, ce qui correspond à une température d'ébullition du fréon à cette pression de - 27 C. 35 Le flux d'air très refroidi mais encore très énergétique de par la pression due au compresseur (2) et à l'énergie cinétique du flux d'entrée d'air résultant de la mobilité éventuelle de la machine, entraîne à la sortie de la tuyère une turbo-génératrice (10) permettant de récupérer une partie de l'énergie dépensée par le compresseur (2). Le compresseur (6) collecte le gaz fréon en provenance des deux évaporateurs 40 (4) et (8) ainsi que de l'évaporateur (18) décrit ci-après. Le gaz fréon est introduit à haute 3 pression dans une chambre (12) située à l'intérieur d'un réchauffeur d'appoint (13) dont la source de chaleur provient de la combustion d'un carburant quelconque dans l'air, ou d'une résistance chauffante (14) noyée dans la chambre (12). Le gaz fréon, fortement comprimé et réchauffé largement au dessus de sa température critique, constitue une vapeur sèche. Pour augmenter sa pression sans atteindre une température prohibitive qui pourrait altérer les qualités chimiques du fréon ou endommager la turbine de puissance (15), on injecte du fréon liquide dans la chambre (12) lequel se vaporise instantanément, augmentant la pression de vapeur de fréon qui devient saturante mais qui se refroidit également. L'on aura de la sorte échangé de la 1 0 température pour de la pression, ce qui va permettre par la même occasion de rapprocher le gaz fréon de son point de liquéfaction, mais de façon telle que cela ne se produise qu'après son passage dans la turbine de détente (15). La turbine de puissance (15) entraîne un générateur électrique. C'est l'organe principal de production d'énergie électrique de l'appareil. 15 Le gaz fréon surcomprimé ayant perdu une partie de son énergie sous forme de travail dans la turbine (15), possède encore à la sortie de celle-ci une assez grande quantité de chaleur, qu'il devrait abandonner à une source froide selon le principe de Carnot. Etant relativement proche de son point de liquéfaction, le gaz fréon est introduit dans un condenseur (11) où un courant d'eau froide glycollée le liquéfie. Il est recueilli 20 dans le réservoir (16). En se liquéfiant, le gaz fréon abandonne à l'eau glycolée, par changement d'état physique, la même quantité de chaleur que celle qui avait été nécessaire à sa transformation en gaz ainsi que celle provenant de sa compression, laquelle eau s'échauffe d'autant. L'eau glycolée réchauffée est canalisée en un courant continu entre le 2 5 liquéfacteur (11) et l'évaporateur (18) notamment autour du réservoir (16). En circulant dans l'évaporateur (18) elle provoque la vaporisation du fréon liquide provenant de ce réservoir (16). L'évaporation du fréon est accélérée par la dépression crée par l'aspiration du compresseur central (6). La vaporisation rapide du fréon emprunte sa chaleur à l'eau glycolée qui se refroidit jusqu'à la température correspondante à la pression crée par 30 l'aspiration (-15 pour une pression de 1,86 kg/cm2, voire -27 pour une pression de 0,7 kg/cm2, par exemple). Cette eau glacée maintenue en circulation par une pompe (17) va ensuite refroidir à nouveau le gaz fréon sortant du turbo-générateur (15) et le cycle recommence. Le principe de Carnot est ainsi rigoureusement respecté. Mais au lieu de se 35 perdre inutilement dans une eau de refroidissement inexploitable, la quantité de chaleur Q2 est réutilisée en fin de compte à la transformation physique du fréon liquide en un gaz sous pression pouvant générer du travail. Ce gaz est immédiatement réinjecté dans le circuit haute pression à l'aide du compresseur collecteur (6). L'ensemble liquéfacteur (11) - évaporateur (18) - réservoir (16) - eau glycolée - 40 fluide frigorigène, qui ne doit réaliser aucun échange de chaleur avec le milieu extérieur, est confiné dans une chambre (20) isolée thermiquement. Une valve régulatrice dérive en cas de surcharge une partie du gaz directement de la sortie de turbine au compresseur (6). Le système a encore pour caractéristique innovante fondamentale de quasiment supprimer, ou plutôt de récupérer intégralement les pertes thermiques habituellement dues à l'échappement des gaz brûlés, au rayonnement, à la conduction, aux frottements, à l'effet Joule, aux courants de Foucault, des divers appareils entrant dans le fonctionnement de la machine. Pour obtenir cet avantage, tous les appareils dispersant de la chaleur sont systématiquement regroupés dans un compartiment des accessoires (19) isolé X10 thermiquement de l'extérieur et situé en avant du compresseur d'air (2). Toutes les pertes thermiques sont ainsi absorbées et réutilisées par le flux d'air pour contribuer à la vaporisation du fréon au travers des évaporateurs (4) et (8). Notamment, les gaz chauds d'échappement du réchauffeur d'appoint (13) y abandonnent une majeure partie de leurs calories par l'intermédiaire d'un radiateur (21) et d'un tuyau d'échappement traversant 15 les réservoir de fréon liquide (5). Le système exposé, réuni à la fois l'avantage de fournir de l'énergie électrique, une production de froid et un moyen de locomotion avec la même source de chaleur résultant de la température ambiante de l'air à laquelle s'ajoute la source chaude du réchauffeur, le tout sans pertes, avec un rendement inégalé. 20 Ses performances sont bien entendu des plus avantageuses par saison chaude ou dans les pays à forte température mais sans pour autant que l'idée inventive perde de son intérêt par temps froid, puisqu'elle permet dans tous les cas d'obtenir du réchauffeur situé dans le compartiment des accessoires, un rendement exceptionnel par réutilisation de tous les rejets thermiques habituellement perdus. Q5 Le réchauffeur peut d'ailleurs être remplacé par un moteur à combustion interne, Diesel en particulier, refroidi par air de préférence, dont les gaz brûlés, à très haute température à la sortie des cylindres, seront la source de chaleur auxiliaire du système. Ce moteur aura ainsi le double avantage d'entraîner directement le compresseur à air (2) et même certains autres compresseurs selon sa puissance. 3U Il pourra être également envisagé de positionner un dispositif de freinage centralisé dans le compartiment des accessoires afin d'en récupérer l'énergie thermique de friction ou électromagnétique lorsque le système est adapté à un véhicule terrestre. Dans une variante adaptée au milieu aquatique, le dispositif peut également tirer son énergie de la chaleur naturelle de l'eau ( 4.185.000 joules par m3 et par C ), à 35 condition évidemment de prendre garde, lors de la vaporisation du fluide frigorigène, que ladite eau ne descende pas en dessous de 0 C dans les évaporateurs à cause de sa glaciation. Le Fréon par exemple a encore une pression saturante de 3,5 kg/cm2 vers 1 C. Dans cette adaptation, le compresseur d'air (2) est remplacé par une turbine hydraulique, ou l'hélice de propulsion d'un navire, ou par le courant d'une rivière, afin de canaliser 4 0 l'eau au travers des évaporateurs. Le principe de Carnot disposant par ailleurs que le rendement d'un moteur thermique est aussi inversement proportionnel à la T de la source froide, il serait dommage de ne pas profiter de l'air glacé s'échappant de la tuyère (3) vers û 27 C, voire moins encore, pour en accroître sa production d'énergie électrique. Ainsi, à une échelle de dimensions bien supérieure, ce moteur, générateur d'électricité, peut être adapté à une centrale nucléaire, ou thermique, dans le but d'en augmenter le rendement et la puissance. En effet, le flux d'air glacé issu de la tuyère (3) peut intervenir dans le processus de refroidissement et de liquéfaction de la vapeur provenant des turbines de la Q centrale, en remplacement de l'eau d'une rivière ou du gigantisme des tours de réfrigération actuelles. Dans une telle adaptation le dispositif décrit aurait lui-même l'avantage de fonctionner plus simplement par la suppression du réchauffeur thermique et du dispositif de déshydratation du courant d'air, asséché dés l'origine et circulant en circuit fermé X15 d'une façon ininterrompue. Ainsi, le courant d'air glacé en sortie de tuyère (3), passant dans un faisceau de tubulures suffisamment important disposé dans le condenseur en travers du flux d'évacuation de la vapeur issue des turbines, comme habituellement, liquéfie cette vapeur en s'échauffant lui-même. Ce courant d'air réchauffé, fait ensuite retour au niveau de 20 l'entrée d'air (1) et le cycle recommence. Si le flux d'air est trop chaud, il est évidemment nécessaire de prélever une faible partie de l'air froid dans la tuyère de sortie (3) pour attiédire les appareils situés dans le compartiment des accessoires. Les pertes calorifiques les plus importantes étant ainsi réutilisées à la production d'énergie électrique, le rendement et la puissance de la centrale en est considérablement amélioré. 25 Lorsque l'on dispose par ailleurs d'une source d'eau, même tiède, géothermale par exemple ou de l'eau naturellement chaude des pays à température élevée, il est intéressant de tirer profit de l'air glacé issu de la tuyère (3) du moteur à air ambiant, objet de l'invention décrite ci-avant, pour en augmenter encore la puissance et donc l'énergie électrique désirée, en lui adjoignant un turbo-générateur (22) fonctionnant à 30 basse température et participant de l'idée inventive du système. C'est par l'intermédiaire d'un gaz facilement vaporisable à relativement faible température et tout aussi aisément liquéfiable vers -27 C dans le cas présent, tel que le dioxyde de carbone liquide par exemple, que l'on va actionner ce turbo-générateur. En effet, à sa température critique, soit 31 C, le CO2 présente déjà une pression 35 de vapeur saturante de 73 kg/cm2 et à -27 C une pression de liquéfaction de 21 kg/cm2. Ce qui représente un différentiel de pression de 52 kg/cm2, propre à actionner puissamment le turbo-générateur (22). Ce dispositif auxiliaire fonctionne de la manière suivante. L'eau tiède ou chaude est turbinée, si nécessaire, au travers d'un évaporateur tubulaire (23) situé dans une .tO enceinte (24) résistante aux très hautes pressions, puis est évacuée à l'extérieur après avoir abandonné une bonne partie de ses6nombreuses calories au CO2 liquide issu d'un réservoir sous-jacent (29). Le CO2 se vaporise au travers du faisceau tubulaire (23) dans une chambre sus-jacente (25). Sous sa forme gazeuse à très haute pression le CO2 actionne une turbine (26) qui entraîne un générateur électrique (27). Après détente dans S la turbine vers 21 kg/cm2, le dioxyde de carbone se liquéfie dans un condenseur (28) traversé par l'air glacé sortant de la tuyère (3) à -27 C, voire moins . Le CO2 liquide revient ensuite au réservoir (29) et le cycle recommence. REVENDICATIONS 1) Tous les éléments ou appareils constituant l'invention ici revendiquée mais pris isolément existent déjà et sont généralement bien connus. L'idée inventive réside par contre dans la manière de les faire travailler ensemble selon un processus innovant qui permet d'en obtenir un résultat inédit consistant en un moteur thermique à très haut rendement dont la source principale de fonctionnement est l'énergie calorifique ambiante que recèlent l'air ou l'eau à l' état naturel. Ce dispositif est caractérisé pour ce qui concerne la variante à air ambiant, en ce qu'il se compose également d'un réchauffeur d'appoint (13) dont la source énergétique provient de la combustion d'un carburant quelconque ou d'une source électrique et en ce qu'il X10 fonctionne sans pertes calorifiques notables car celles-ci sont entièrement récupérées et réintégrées à l'air ambiant, source initiale de chaleur, par le moyen d'un compartiment (19) isolé thermiquement et regroupant tous les accessoires dispersant habituellement la chaleur, ainsi que par le moyen d'un liquéfacteur (11) et d'un évaporateur (18) thermoisolés. Le compartiment, collecteur de calories, pouvant recevoir notamment le système de freinage centralisé d'un véhicule afin d' en récupérer l'énergie cinétique perdue. 2) Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il fonctionne selon le principe général d'extraction des calories propre aux thermo-pompes et aux systèmes de réfrigération, par l'intermédiaire d'un compresseur (2) qui canalise un flux d'air chaud et comprimé, au travers de plusieurs évaporateurs multitubulaires (4) et (8) 20 séparés par un système déshydrateur (7) et disposés dans une tuyère. De cette tuyère s'échappe le flux d'air glacé issu du dernier évaporateur (8) et actionnant par sa pression résiduelle et son énergie cinétique un turbo-générateur (10) 3) Dispositif selon les revendications 1 et 2 prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que des compresseurs haute pression (9) et (6) facilitent par une aspiration 2.5 thermiquement contrôlée la vaporisation d'un fluide frigorigène approprié tel que le fréon ou autre, puis le compriment conjointement en l'introduisant dans la chambre (12) du réchauffeur d'appoint (13). Le réchauffeur d'appoint pouvant dans une autre variante recevoir les gaz brûlés de l'échappement d'un moteur à combustion interne dont la puissance peut par ailleurs actionner les compresseurs (2) (9) (6).) Dispositif selon les revendications précédentes prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que la chambre (12) du réchauffeur reçoit une injection directe sous forte pression du fluide réfrigérant utilisé, lequel se vaporise instantanément dans la chambre (12) surchauffée en augmentant fortement la pression de vapeur devenue saturante tout en diminuant sa température. 5) Dispositif selon les revendications précédentes prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que les gaz sous forte pression issus de la chambre (12) actionnent une turbine de puissance qui est l'organe principal de production du travail du moteur sous forme d'énergie mécanique directe, ou d'énergie électrique par l'intermédiaire d'un /10 générateur accouplé. 6) Dispositif selon les revendications précédentes prises dans leur ensemble caractérisé en ce que le gaz frigorigène sous pression, détendu dans la turbine de puissance (15), est envoyé ensuite dans un liquéfacteur-évaporateur (11) (18) où un courant d'eau glycolée, ou autre réfrigérant, le liquéfie. En se liquéfiant le gaz fréon '15 abandonne sa chaleur à l'eau, laquelle eau réchauffée va pénétrer dans l'évaporateur (18) et vaporiser à nouveau le fréon liquide aidée en cela par l'aspiration du compresseur (6). La vaporisation du fréon abaissant fortement la température de l'au glycolée, celle-ci peut refroidir à nouveau le gaz fréon issu de la turbine de puissance (15) et le cycle recommence. Le dispositif liquéfacteur-évaporateur est isolé thermiquement du milieu 2 U extérieur. En cas de surcharge une valve régulatrice le court-circuite et dérive une partie du gaz directement de la sortie de turbine au compresseur (6). 7) Dispositif selon les revendications précédentes prises dans leur ensemble caractérisé en ce que le rendement exceptionnel de la machine provient en particulier de la récupération intégrale des pertes thermiques par le moyen du compartiment des 25 accessoires(19) ce qui permet d'ajouter toutes ces calories à l'air ambiant admis dans les évaporateurs via le compresseur (2). Par le processus indiqué la machine produit à la fois une énergie électrique, une énergie de locomotion et un flux d'air réfrigéré utilisable dans les domaines les plus variés. 8) Dispositif selon les revendications précédentes prises dans leur ensemble 30 caractérisé en ce que la production d'électricité combinée à la production de froid ainsi obtenues peut être adaptée dans une variante à grande échelle aux centrales nucléaires, ou thermiques. Le flux d'air glacé issu de la tuyère (3) intervient alors dans le processus de refroidissement et de liquéfaction de la vapeur provenant des turbines de la centrale, en remplacement de l'eau d'une rivière ou de l'énormité des tours de réfrigération actuelles. 35 Dans une telle adaptation le courant d'air glacé en sortie de tuyère (3) passant dans un faisceau de tubulures important disposé dans un condenseur, en travers du flux d'évacuation de la vapeur issue des turbines de la centrale, liquéfie cette vapeur en s'échauffant lui-même. Ce courant d'air réchauffé fait retour vers l'entrée d'air (1) par une conduite extérieure calorifugée et le cycle recommence. Le moteur lui-même est 4o alors simplifié puisque le réchauffeur auxiliaire est inutile, ainsi que le système dedéshumidification, le flux d'air chaud circulant en circuit fermé étant sec dés l'origine sans possibilité de mélange avec aucun autre fluide. 9) Dispositif selon les revendications précédentes prises dans leur ensemble caractérisé en ce qu'une énergie mécanique ou électrique supplémentaire peut être générée grâce à l'air glacé ci-avant obtenu, par le moyen d'un fluide caloporteur, le dioxyde de carbone liquide par exemple dans le mode de réalisation non limitatif suivant. L'eau tiède ou chaude est turbinée au travers d'un évaporateur tubulaire (23) situé dans une enceinte (24) où elle vaporise le CO2 liquide. Sous sa forme gazeuse à très forte pression de vapeur saturée, le CO2 actionne une turbine (26) qui entraîne un générateur '10 électrique (27). Après détente dans la turbine (26) le dioxyde de carbone gazeux se liquéfie dans le condenseur (28) traversé par l'air glacé sortant de la tuyère (3). Le CO2 liquide revient ensuite au réservoir (24) et le cycle recommence. 10) Dispositif selon les revendications précédentes prises dans leur ensemble caractérisé en ce qu'il peut, avec le même processus, tirer son énergie de la chaleur 5 naturelle de l'eau avec pour limite de celle-ci une température non inférieure à 0 C afin d'éviter la glaciation de l'eau. Dans cette adaptation le compresseur (2) est remplacé par une turbine hydraulique, une hélice propulsive de navire, par le courant d'une rivière ou autres.