Brevet FR2928975A1 — publié le 20090925

-1 La présente invention concerne un dispositif polyvalent avec réserve double, sans perte de volume inexploité, qui permet le stockage puis le transfert de chaleur entre un moteur thermique d'engin mobile auquel il est associé et un système de chauffage extérieurs à l'engin mobile, et ce par stockage du fluide de refroidissement chaud en sortie du moteur maintenu constamment à sa température la plus chaude, puis par transvasement de ce fluide gardé chaud vers le système de chauffage et qui permet une assistance ou le remplacement du système de production de chaleur dans un circuit hydraulique de chauffage lorsqu'il y est installé en permanence. Les moteurs thermiques utilisant des combustibles fossiles, modernes, ou de récupération (fioul, essence, gaz, éthanol, déchets, charbon) n'en transforment qu'une très faible partie en énergie mécanique. Le reste est transformé en chaleur qui doit être évacuée. Afin de minimiser les consommations en énergie des systèmes de chauffages (domestiques, industriels, tertiaire, urbain,...), il est intéressant de récupérer et de stocker cette chaleur perdue par les moteurs d'engins mobiles en stockant le fluide de refroidissement chaud à leur sortie. On peut utiliser deux systèmes de base qui permettent le stockage de la chaleur dans me ou plusieurs réserves placées sur le circuit de refroidissement. Ils posent chacun des problèmes d'encombrement, de poids et de surconsommation ; donc des problèmes de rentabilité tels que ces systèmes ne sont pas exploités. ù Le système de stockage à une seule réserve est constitué d'un réservoir entièrement étanche à deux accès ; un pour l'entrée et l'autre pour la sortie. Il est monté en série sur le circuit de refroidissement d'un moteur. L'ensemble constitue une boucle hydraulique fermée ; � moteur et sa pompe - réservoir - radiateur �. Il est très peu performant. L'augmentation de température du contenu ide la réserve est assurée par l'arrivée d'un débit de fluide chaud en provenance du moteur qui se mélange au fluide déjà en place. Un même débit du mélange quitte la réserve pour rejoindre le moteur afin d'assurer son refroidissement. Ceci constitue l'inconvénient même de ce système. En effet, le contenu de la réserve n'a pas la garantie d'atteindre un minimum exploitable de température car le fluide chaud en sortie de moteur se mélange avec le fluide de la réserve. La température du mélange augmente lentement au fur et à mesure qu'augmente la quantité de chaleur stockée, ce qui impose un temps minimum de fonctionnement du moteur avant d'atteindre un niveau de température du fluide stocké, exploitable dans le cadre de la récupération d'énergie via les systèmes hydrauliques de chauffage. On ne peut pas faire fonctionner inutilement un moteur pour prétexter une récupération d'énergie suffisante. Ce système ne permet pas de récupération d'énergie lors des petits trajets par exemple. -2 ù Le système de stockage d'énergie à plusieurs réserves permet de résoudre le problème précédent mais il pose lui aussi ses propres problèmes. Il est très peu performant. J[l est constitué en partie d'un circuit hydraulique ouvert, monté dans l'ordre suivant: �réserve de fluide froid à disposition du moteur - moteur et sa pompe de circuit de refroidissement - réserve de fluide chaud �. Il est peu performant, car encombrant ; il y a toujours des volumes inutiles d'air dans les réserves puisqu'une réserve se vide quand l'autre se remplit. En augmentant fortement le volume du chargement permanent, donc la taille et donc le poids du véhicule, on augmente fortement sa consommation et on cause une perte de volume de chargement non exploité de ce fait. Le dispositif selon l'invention permet de réduire les inconvénients cités ci-dessus. Il permet de récupérer une partie importante de la chaleur rejetée et perdue par les moteurs thermiques qui équipent des engins mobiles en stockant leur fluide de refroidissement en sortie du moteur lorsqu'il est chargé de chaleur, puis il permet de céder cette chaleur à des systèmes extérieurs à l'engin en les irrigant avec ce fluide lorsqu'on le déstocke des réserves de l'engin et ce, grâce à un dispositif à encombrement très réduit, capable de garder le fluide qu'il stocke à la température à laquelle il le reçoit, donc, exploitable dans le cadre de la récupération d'énergie. Ce dispositif permet donc de réduire les coûts liés à la consommation en énergie des systèmes qui bénéficient de la récupération de chaleur. Ce système permet en outre d'assister, voire de remplacer le dispositif de production de chaleur lorsqu'il est monté en permanence sur un circuit hydraulique de chauffage car il permet de mettre à disposition des émetteurs le débit de fluide chaud qu'il stocke lorsqu'une même réserve associée à un moteur thermique. utilisée comme présentée ci-dessus, lui transmet son propre volume de fluide stocké chaud. Ce dispositif polyvalent comporte en effet, selon une première caractéristique, une enceinte contenant deux réserves à volumes variables et dont la variation de volume est rendue possible par le déplacement d'une paroi séparatrice commune. Ces deux réserves contiennent le même fluide caloporteur qui se déplace alternativement de l'une à l'autre en passant par le moteur pour la phase de récupération d'énergie et par un système de chauffage, pour la phase de restitution. Elles sont associées dans un premier temps au moteur et à un système récupérateur de chaleur dans un deuxième temps, et cela, par un jeu de connecteurs. Lorsqu'elles sont associées au moteur, la première réserve permet d'assurer le stockage en se remplissant du fluide de refroidissement du moteur lorsqu'il en sort chaud et la deuxième réserve, en se vidant, permet d'assurer simultanément l'approvisionnement en fluide au circuit de refroidissement à l'entrée du moteur à refroidir. Lorsqu'elles sont associées à un système demandeur de chaleur, la première réserve transfère son fluide et sa chaleur, stockés précédemment, vers ce système alors que la deuxième réserve se voit remplir d'un fluide à un niveau de température assez bas -3 pour être à nouveau exploité pour un nouveau cycle de récupération d'énergie. Le volume de fluide et la masse de l'ensemble sont donc constants et donc réduits, et ce, quels que soient les états de remplissages de chacune des deux réserves. Selon les modes particuliers de réalisation, ùLes deux réserves peuvent être contenues dans la même enceinte. Une paroi souple, déformable ou mobile, étanche hydrauliquement et étanche thermiquement peut alors les séparer. Ceci permet de diminuer le volume global de l'ensemble du dispositif en évitant les volumes vides dans le cas de l'utilisation de deux enceintes distinctes. ùUn cloisonnage de la réserve de stockage peut être effectué afin de mieux maitriser les températures de stockage et d'éviter les mélanges de strates thermiques et pour faciliter le transport. ùLes réserves peuvent être pourvues de connecteurs permanents ou de connecteurs rapides équipés de canalisations flexibles pour faciliter les connexions et déconnexions. ù Un dispositif de régulation de température contenant un bloc de régulation, des vannes régulées, une tuyauterie de bi-passage et un échangeur, peut être joint à l'isolation des réserves afin d'assurer une température minimale du fluide à stocker. ùUn dispositif de sécurité peut être prévu afin de faim supporter à la réserve les contraintes mécaniques causées par les dilatations volumiques successives des fluides stockés pendant ses différentes phases de changements de températures lors des périodes de stockage et déstockage. ù Une isolation thermique peut être prévue pour permettre un stockage plus long de la chaleur récupérée et: pour permettre de garder son niveau de température. ùUn dispositif mixte de lecture de remplissage et de température, d'affichage et de renvoi d'information peut être intégré pour permettre, entre autre, de prévenir que les charges minimales et maximales sont atteintes dans la réserve. ùUn dispositif de renfort peut être associé au système pour permettre sa manipulation ou son accrochage aux châssis des moteurs et des systèmes de chauffage (coque rigide, poignée et pattes de fixation). ù Un dispositif de récupération de la chaleur des gaz d'échappement peut être prévu et réalisé par l'exploitation d'un échangeur placé entre le fluide de refroidissement stocké et les gaz d'échappement. Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 représente en coupe, le dispositif de base de l'invention en début de phase de captage avec séparation des réserves par cloison mobile simple. La figure 2 représente en coupe, une variante de l'invention avec séparation des réserves par double membrane déformable enfermant une réserve de gaz. -4 La figure 3 représente en coupe, la même variante de l'invention équipée d'un dispositif de régulation de température minimale du fluide chaud stocké avec échangeur récupérateur de chaleur. La figure 4 représente en coupe, le dispositif de base de l'invention connecté à un moteur pour la phase de stockage. La figure 5 représente en coupe, le dispositif de base de l'invention connecté à un système demandeur de chaleur pour la phase de restitution d'énergie. La figure 6 représente en coupe, le dispositif de base de l'invention connecté en permanence à un système demandeur de chaleur en remplacement du dispositif de production de chaleur utilisé avec un même dispositif connecté en permanence à un moteur. En référence à ces dessins, le dispositif comporte une enceinte (1) composée de deux réserves (3) et (4) connectables à un moteur (18) ou à un système de chauffage (20), avec émetteur-convecteur par exemple (21). Les connexions se font par des canalisations (7) et (8) et des raccords (9). L'ensemble est enveloppé dans une isolation thermique (10) et est maintenu et porté par une coque (12) qui permet l'arrimage aux châssis des moteurs et des systèmes de chauffage et qui permet la manipulation du système lors de ses différentes associations et phases de travail. La quantité de chaleur stockée peut être mesurée puis indiquée par un dispositif (11) de type �bloc de lecture de température, de régulation, d'affichage et de ren voi d'informations �. Dans la forme de réalisation selon figure 1, les deux réserves sont séparées par une cloison mobile étanche (2) qui permet un remplissage et une vidange simultanés des deux réserves sans que le volume total ne change. L'étanchéité est assurée par joint(s) ou membrane(s) (13). L'enceinte comporte un dispositif de sécurité de type � vase d'expansion � avec paroi déformable (6) et réserve de gaz (5) qui permet à l'ensemble de supporter les contraintes mécaniques causées par les dilatations thermiques successives du fluide de refroidissement stocké dans les réserves. Dans la forme de réalisation selon figure 2, les deux réserves sont séparées par deux membranes mobiles étanches (14) qui renferment un gaz (15) qui permet à l'ensemble de supporter les contraintes mécaniques causées par les dilatations thermiques successives du fluide de refroidissement contenu et qui assure l'isolation thermique entre les deux réserves. Dans la forme de réalisation selon figure 3, les réserves sont associées à un dispositif (16) de régulation de température minimum du fluide de stockage avec échangeur de chaleur (17). Ils permettent d'assurer le maintien de la température dans la durée et de ne retenir que l'eau suffisamment chaude pour le stockage en réserve (3). Lors des arrêts courts du moteur et de l'engin, les températures du fluide de refroidissement chutent dans le moteur, le radiateur et dans les canalisations. Ce fluide n'est alors plus intéressant à stocker. Il doit retourner au -5 moteur directement par le chemin de bi-passage (8 - 16 -7) jusqu'à ce qu'il soit détecté comme étant assez chaud pour être exploité puis détourné vers l'échangeur (17) puis vers la réserve (3) pour être stocké. Dans le mode d'exploitation selon figure 4, l'ensemble est connecté au circuit de refroidissement (19) d'un moteur (18) pendant la phase de stockage de fluide chaud. Dans le mode d'exploitation selon figure 5, l'ensemble est connecté au circuit hydraulique (22) d'un système de chauffage (20) avec émetteurs (21), et ce, pendant la phase de déstockage de fluide chaud. Dans le mode d'exploitation selon figure 6, l'ensemble est connecté en permanence (23) au circuit hydraulique (22) d'un système de chauffage avec émetteurs (21), et ce, en remplacement du système de chauffage. Il est associé à un deuxième même dispositif utilisé comme en figure 5 qui lui assure le remplissage en fluide chaud et lui permet ainsi de remplacer le système de production de chaleur. Selon une variante non illustrée, le dispositif peut être équipé d'un cloisonnage des 15 réserves afin de mieux maitriser les températures de stockage, d'éviter les mélanges de strates thermiques et pour faciliter le transport. Selon une autre variante non illustrée, le dispositif peut être équipé d'un échangeur de récupération d'énergie placé entre le fluide stocké dans la réserve et les gaz d'échappement. Selon une autre variante non illustrée, une vanne hydraulique à pressions différentielles 20 peut être insérée entre les canalisations d'entrée et de sortie (7 et 8) des réserves (3 et 4) afin de permettre un fonctionnement normal du circuit de refroidissement en bipassant la réserve de stockage (3) lorsque celle-ci est pleine. Selon une autre variante non illustrée, l'ensemble peut être équipé d'un dispositif qui le rend démontable et déplaçable grâce à un châssis qui permet le maintien, la protection, les 25 manipulations de montage, démontage, connexion et déconnexion, l'ancrage et le transport (12). A titre d'exemples non limitatif, le système pourra avoir des dimensions de l'ordre de 50 cm de diamètre et 70 cm de hauteur pour les dispositifs d'association de véhicules légers de transport à des systèmes individuels de chauffage central. Il pourra avoir d'autres dimensions 30 en conséquence de la taille des systèmes à équiper (ex : camions, bus, chauffage industriel, ou collectif). Il pourra être exploité couramment dans des plages de températures allant environ de 45°C à 110°C. Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné au captage de la chaleur perdue par les engins de transport routier individuels, collectifs, professionnels, industriels et 35 commerciaux et est particulièrement destiné à la restitution de chaleur à des systèmes de production de chaleur qui équipent des dispositifs de chauffage domestique, industriel de -6- processus, urbain, tertiaire ou de bâtiments d'équipement. Il est particulièrement destiné à la gestion d'énergie et à l'optimisation des frais de roulement des sociétés urbaines publiques ou privées de transport ou de fret (bus, taxis et leurs locaux administratifs ) ou des sociétés commerciales de transport ou de fret (cars, camions et leurs locaux administratifs ). REVENDICATIONS 1. Dispositif pour capter et stocker, par stockage du fluide caloporteur, la chaleur évacuée et perdue par les dissipateurs des circuits de refroidissement des moteurs thermiques qui équipent des engins mobiles, pour la restituer, par déstockage de ce fluide, à des systèmes de chauffage extérieurs aux véhicules, caractérisé en ce qu'il est constitué d'une enceinte (1) isolée thermiquement (10), dotée, à l'intérieur, d'une paroi séparatrice mobile (2) qui délimite deux zones de réserves à volumes variables et complémentaires (3) et (4) qui servent de réserves de fluide caloporteur et qui sont reliées chacune alternativement au circuit de refroidissement d'un moteur ou au circuit hydraulique d'un chauffage par un dispositif de connexions permanentes (23) et de connexions et déconnexions rapides (7, 8 et 9). Ces réserves permettent, avec un encombrement minimum, de stocker le fluide de refroidissement chaud (3) en sortie de moteur (18), de maintenir le niveau de température de prélèvement sauf pertes thermiques par les parois isolées, et d'approvisionner simultanément le moteur en fluide de refroidissement froid (4). Elles permettent aussi, après connexion, de déstocker le fluide chaud (3) vers un système de chauffage extérieur au moteur (20) en prélevant simultanément, au circuit de chauffage ou à un autre système, le même volume de fluide plus froid pour remplir l'autre réserve (4), et ceci pour pouvoir réutiliser l'ensemble à volonté lors d'autres cycles de récupération de chaleur. Elles permettent enfin d'assister, voire de remplacer le dispositif de production de chaleur sur le circuit hydraulique d'un système de chauffage en y étant installées en permanence et en travaillant en duo avec un ou plusieurs même(s) dispositif(s) installé(s) en association permanence avec un ou plusieurs moteur(s) thermique(s). 2. Dispositif selon la revendication I caractérisé en ce que l'étanchéité entre les deux réserves est assurée par un système de joints ou de membranes (13), placé entre la paroi et l'enceinte. 3. Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que l'enceinte (1) comporte un dispositif de sécurité de type �vase d'expansion� avec paroi déformable (6) et réserve de gaz (5) qui permet à l'ensemble de supporter les contraintes mécaniques causées par les dilatations successives du fluide de refroidissement stocké dans les réserves (3 et 4). 4. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les deux réserves sont séparées par deux membranes mobiles étanches (14) qui renferment un gaz (15) qui permet à l'ensemble de supporter les contraintes mécaniques causées par les dilatations successives du fluide de refroidissement qu'elle contient et qui assure l'isolation thermique entre les deux réserves (3 et 4). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'ensemble comporte un dispositif de régulation (11) qui permet la lecture et la gestion des-8- grandeurs physiques telles que les niveaux de température, les volumes de remplissages et les pression, et qui permet le renvoi de ces valeurs à un système d'informations et de gestion. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'ensemble est doté d'un dispositif (16) de régulation de température minimum du fluide de stockage constitué d'un ensemble � régulateurs - vannes régulées - tube de bi-passage � (16), d'un échangeur de chaleur (17) et d'isolation thermique (10), le tout permet d'assurer le maintien de la température dans la durée et de ne retenir que l'eau suffisamment chaude pour le stockage en réserve (3). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'ensemble est rendu démontable et déplaçable grâce à un châssis qui permet le maintien, la protection, les manipulations de montage, démontage, connexion et déconnexion, l'ancrage et le transport (12). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'ensemble est doté d'un échangeur de chaleur entre le fluide stocké en réserve (3) et les gaz d'échappement du moteur pour récupérer leur chaleur. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'ensemble est doté d'un système de cloisonnage afin de mieux maitriser les températures de stockage et d'éviter les mélanges de strates thermiques et pour faciliter le transport.