Brevet FR2983916A1 — publié le 20130614

La présente invention concerne un moteur thermique à combustion externe et à densités variables du fluide moteur. Le moteur peut être utilisé pour la production d'énergie électrique à partir d'énergies renouvelables et notamment de l'énergie solaire thermique ou de la biomasse. L'invention présentée utilise comme fluide moteur le dioxyde de carbone à des températures proches de celles de son point critique (310). Le gaz carbonique est contenu dans un circuit fermé comprenant des électrovannes qui permettent de maîtriser ses concentrations selon les besoins. Cette opération est rendue possible par différentes compartimentations du circuit contenant du dioxyde de carbone soit en phase liquide soit en phase gazeuse. 10 Une caractéristique de cette invention est d'être constituée de composants connus, mais c'est la manière de les assembler et de les faire travailler ensemble qui constitue l'aspect innovateur de ce moteur. L'état de la technique actuelle ne permet pas à ce jour d'avoir de bons rendements avec une machine thermique fonctionnant à des températures proches des 15 températures ambiantes et avec un écart limité entre les sources à haute et basse température. La présente invention permet d'atteindre de bonnes performances, même avec un écart de température réduit entre les sources chaude et froide ( à partir d'environ 30-40 degrés), dans un intervalle de températures proches de la température critique du fluide moteur (31°). 20 La présente invention sert à obtenir une production d'énergie électrique grâce à un système respectueux de l'environnement, en utilisant des ressources renouvelables, y compris l'énergie solaire; une machine simple, apte à fonctionner à travers un système thermodynamique économe en énergie primaire. Avant d'exposer le fonctionnement de la machine, il faut rappeler les 25 caractéristiques du dioxyde de carbone qui sera désigné par la suite CO2. Le CO2 est un gaz incolore, inodore, ininflammable, chimiquement peu réactif et non toxique. La présente invention utilise ce fluide à des températures proches de son point critique (31°C) pour en disposer soit à l'état liquide, soit à l'état gazeux. Le dioxyde de carbone est utilisé à des densités entre 0,9 g / cm3 et 0,5 g I cm3 pour obtenir d'importantes 30 variations de pression à partir de faibles différences de températures (pour une densité de 0,75 g / cm3, la pression est de 58,5 bars à 20° C.; de 116,5 bars à 35° C.; de 215,9 bars à 50° C.). Il faut aussi rappeler que la basse valeur de la chaleur spécifique du gaz carbonique permet de faire varier sa température plus facilement. Pour simplifier l'exposé du fonctionnement de la présente invention, on peut 35 préciser que dans cet exemple, et de façon non limitative, par haute température du fluide moteur (gaz carbonique) on entend environ 50-60 degrés, et par basse température environ 15-20 dégrées. 2 983 916 2 Dans un premier mode de réalisation, qui représente sa forme la plus synthétique selon le schéma de la figure 1, le moteur thermique proposé comporte un circuit fermé dans lequel est contenu le fluide moteur. Ce circuit est composé de trois parties ayant des caractéristiques spécifiques: un réservoir-échangeur (3), un concentrateur-échangeur (6) et un gaz-cooler (8). Ces trois parties sont en communication entre elles par les électrovannes (21 et 22), et la densité du CO2 dans la totalité du circuit est d'environ 0,5 gr./cm3 quand ces électrovannes sont ouvertes. Le circuit communique avec un cylindre (4) muni de son piston (5) par l'électrovanne (23) normalement en modalité fermée. Le réservoir-échangeur contient la quantité la plus importante de la totalité de CO2 présente dans le circuit. Le CO2 est maintenu à basse température par le fluide provenant de la source froide (2) et circulant dans l'échangeur du réservoir par le moyen d'une pompe. Dans ces conditions, plus de la moitié du volume du réservoir-échangeur contient du CO2 à l'état liquide. Le bas du réservoir-échangeur communique avec le bas du concentrateur- échangeur à travers une électrovanne (21) qui permet le passage du CO2 liquide dans le concentrateur. Dans cette phase de recharge en CO2 du concentrateur, le dioxyde de carbone est maintenu à basse température par la circulation dans l'échangeur de chaleur du fluide provenant de la source froide. Quand le concentrateur-échangeur est rempli de CO2 à l'état liquide, il est isolé du reste du circuit par la fermeture des électrovannes (21) et (22). La fermeture a pour effet d'augmenter la densité du CO2 contenu dans le concentrateur-échangeur. Ensuite, l'inversion de la température dans l'échangeur de chaleur par la circulation du fluide provenant de la source chaude (1) génère un réchauffement du CO2 à haute densité contenu dans le concentrateur. L'augmentation de la température a pour effet d'augmenter fortement les valeurs de la pression du CO2 dans le concentrateur. Avec l'ouverture de l'électrovanne (23), le gaz à haute pression se détend dans le cylindre (4) en déplaçant le piston (5), pour produire un travail mécanique. Pour permettre une détente du gaz à température constante, le cylindre est maintenu à haute température par la circulation dans son échangeur du fluide provenant de la source chaude. Une fois terminée la course du piston, l'électrovanne (23) est fermée et l'électrovanne (24) est ouverte. Une part du CO2 à haute température contenu dans le cylindre se déplace vers le haut du réservoir-échangeur, à température plus basse, en traversant le gaz-cooler où il est refroidi. Le gaz-cooler peut être constitué, par exemple, par une longue serpentine à plusieurs tubes concentriques, avec un système de refroidissement à flux contre-courant. Un système quelconque, comme dans cet exemple un moteur électrique (28), doit fournir un travail mécanique à la machine pour déplacer le piston vers sa position initiale; le reste du CO2 encore présent dans le cylindre est alors comprimé et déplacé vers le réservoir. Cette compression n'augmente pas la pression du CO2 dans le réservoir-échangeur, mais génère la formation de CO2 liquide dans le réservoir maintenu à basse température. À la fin du déplacement du piston, l'électrovanne (24) est fermée et les électrovannes (21) et (22) sont ouvertes pour permettre au gaz à haute température encore contenu dans le concentrateur-échangeur de se déplacer vers le réservoir-échangeur à travers le gaz-cooler; dans le même temps, le concentrateur est refroidi pour permettre au CO2 liquide contenu dans le réservoir de se déplacer vers le concentrateur. Le concentrateur-échangeur se remplit de CO2 à l'état liquide et on revient ainsi aux conditions initiales, pour un nouveau cycle. Pour résumer, le fonctionnement de la machine, dans ce mode de réalisation, comporte les phases suivantes: - une phase initiale d'équilibre : la température du CO2 dans la totalité du circuit fermé est maintenue basse par la circulation du fluide provenant de la source froide dans les échangeurs de chaleur. Le cylindre est maintenu à haute température pour favoriser une expansion isotherme du gaz. La densité globale du CO2 dans le circuit doit permettre d'avoir au moins 50% du dioxyde de carbone en phase liquide. La forme et la disposition des éléments permettent d'avoir dans le concentrateur du CO2 à très forte densité ; - une phase d'expansion du gaz : le concentrateur, contenant du fluide moteur à l'état liquide et à basse température, est isolé du reste du circuit par des électrovannes. Le CO2 à haute densité est réchauffé et génère une forte augmentation de sa pression. Une fois la pression nécessaire atteinte, l'ouverture de l'électrovanne positionnée entre le concentrateur et le cylindre permet au gaz de se détendre dans le cylindre, et génère un travail mécanique par déplacement du piston ; - une phase de compression du gaz : à la fin de la course du piston le gaz contenu dans le cylindre à haute température est transféré au réservoir de CO2, à basse température, à travers le «gas-cooler». Ceci est réalisé par l'ouverture de l'électrovanne positionnée entre le cylindre et le réservoir-échangeur de CO2, et par l'apport simultané d'un travail mécanique extérieur à la machine. Dans cette phase de compression la pression du CO2 n'augmente pas, et la compression a pour effet la transformation du CO2 à l'état gazeux en CO2 à l'état liquide, selon le diagramme pression/volume du gaz carbonique. - et enfin une phase de retour aux conditions initiales : après la course de compression du piston, l'ouverture des vannes qui avaient isolé le concentrateur et le refroidissement du concentrateur permettent au fluide moteur en phase liquide du réservoir-échangeur de passer dans le concentrateur-échangeur pour revenir ainsi aux conditions de départ pour un nouveau cycle. Les ouvertures et les fermetures des électrovannes sont gérées par une centrale de commande électronique. Des vannes de sécurité (34) et (35) sont prévues dans les parties soumises à des hautes pressions pendant le fonctionnement du moteur. Les manomètres (32) et (36) contrôlent les pressions du gaz dans le circuit. La phase active du cycle (expansion du gaz) est caractérisée par des rapides déplacements du piston et des fortes pressions utiles, presque constantes pendant toute la course du piston. La phase de compression du gaz peut présenter une durée différente de celle de la phase d'expansion: le piston peut se déplacer plus lentement pour mieux permettre la formation du CO2 en phase gazeuse. L'énergie mécanique produite est stockée dans un système d'accumulation d'énergie quelconque tel que un volant libre (30), pour prendre un exemple non limitatif. Le moteur thermique objet de cette invention peut, parmi d'autres utilisations, entraîner un alternateur (31) pour la production d'énergie électrique. Pour réduire le temps d'attente de la phase de formation de CO2 à l'état liquide dans le concentrateur, on peut avoir deux ou plusieurs concentrateurs pour un cylindre. Cette multiplication de concentrateurs permet d'avoir toujours un concentrateur prêt à être chauffé et utilisé pour une phase d'expansion. Avec un volume du concentrateur supérieur à trois fois au moins le volume du cylindre, on peut avoir plusieurs phases d'expansion du gaz dans le cylindre pour une même recharge en CO2 liquide. Le cylindre équipé de deux ou plusieurs concentrateurs-échangeurs représente le module base de la machine. On peut avoir de meilleurs performances en ajoutant d'autres modules tout en gardant un unique circuit du fluide moteur. Les combustibles nécessaires à la réalisation de la source chaude peuvent être les plus variés, le moteur étant à combustion externe. Des ressources renouvelables, comme l'énergie solaire ou la géothermie, peuvent fournir les calories nécessaires au fluide moteur pour atteindre les hautes températures de travail (environ 60° C). La figures 2 des dessins annexés représente un deuxième mode de réalisation de la présente invention, qui permettra de mieux comprendre son fonctionnement. Dans ce mode de réalisation, le moteur thermique est constitué d'un cylindre et de deux concentrateurs ayant chacun un volume trois fois supérieur à celui du cylindre. Les composants principaux du moteur thermique dans ce mode de réalisation sont: une source de fluide à haute température (1); une source de fluide à basse température (2); un réservoir-échangeur (3) pour le fluide moteur; un cylindre-échangeur à simple effet (4) muni de son piston (5); un concentrateur-échangeur « A » (6) de CO2, mis en communication avec le réservoir par l'électrovanne (21), avec le cylindre par l'électrovanne (23) et avec le gaz-cooler par l'électrovanne (22); un concentrateur-échangeur « B » (7) de CO2, mis en communication avec le réservoir par l'électrovanne (25), avec le cylindre par l'électrovanne (26) et avec le gaz-cooler par l'électrovanne (27) ; un gaz-cooler (8); un circuit (9) permettant de faire circuler le fluide provenant de la source à basse température dans l'échangeur du réservoir et dans le gaz-cooler; un circuit (11) permettant de faire circuler le fluide provenant de la source à haute température dans l'échangeur du cylindre; un système constitué des circuits (10) et (12) et des électrovannes (13), (14), (15), (16), (17), (18), (19) et (20) destiné à faire circuler les fluides en provenance des sources à basse et à haute température alternativement dans les échangeurs des concentrateurs; une isolation thermique autour de tous les composants du moteur; trois vannes de sécurité (34, 35 et 37) et trois manomètres (32, 33 et 36); un dispositif (28) destiné à fournir du travail mécanique à la machine dans la phase de compression du CO2; un dispositif (29) pour l'utilisation du travail produit; un dispositif (30) pour le stockage de l'énergie mécanique produite: un alternateur (31) pour la production d'énergie électrique. Maintenant nous allons analyser le fonctionnement de la machine selon ce mode de réalisation et avec les conditions suivantes, qui ne sont pas limitatives: - le volume de chaque concentrateur-échangeur est de trois fois le volume du cylindre; - le volume du réservoir-échangeur est de cinq fois le volume du concentrateur; - le dispositif qui fourni du travail à la machine est un moteur électrique; la température du fluide à basse température (B.T.) doit permettre d'avoir le CO2 dans les échangeurs à la température de 20° C; - la température du fluide à haute température (H.T.) doit permettre d'avoir le CO2 dans les échangeurs à la température de 50°C; - la transformation du mouvement rectiligne du piston en mouvement circulaire est réalisée par une crémaillère; - le stockage de l'énergie mécanique est réalisé par un volant libre tournant dans un seul sens; - un système de contrôle électronique gère toutes les commandes. Dans ces conditions, on peut avoir deux cycles d'expansion du moteur pour chaque recharge en CO2 liquide d'un concentrateur La figure 2 représente le schéma de ce mode de réalisation de la machine. Le CO2 est tenu à 20° C dans la totalité du circuit avec une densité de 0.5g/cm3 et les électrovannes sont toutes ouvertes sauf celles du cylindre. Dans ces conditions, les concentrateurs-échangeurs contiennent du CO2 à l'état liquide. En fermant les électrovannes (21 et 22) on augmente la densité du CO2 dans le concentrateur-échangeur « A » (6), et par la circulation du fluide H.T. dans le concentrateur-échangeur on augmente la température et donc la pression du gaz. Quand la pression arrive à la valeur établie (par exemple 180 bar), on ouvre l'électrovanne (23) et le gaz se détend dans le cylindre avec une expansion isotherme qui, par le déplacement du piston, produit du travail. À la fin de la course du piston, le centre de contrôle ferme l'électrovanne (23) et ouvre l'électrovanne (24). Le CO2 contenu dans le cylindre passe dans le réservoir-échangeur (3) en cédant ses calories au « gaz-cooler », ce qui provoque une chute de la pression dans le cylindre. Le moteur électrique (31) pousse le piston et comprime le gaz. Cette compression est à pression constante parce que le CO2 comprimé dans le réservoir-échangeur à 20° C (une température plus basse que celle de son point critique) garde sa pression constante en transformant son état gazeux en état liquide. Dans le concentrateur-échangeur « A », maintenu encore à haute température, la densité du CO2 est toujours importante et suffisante pour un nouveau cycle d'expansion du gaz dans le cylindre. À la fin de la course du piston, l'électrovanne (24) qui communique avec le gaz-cooler est fermée et l'ouverture de l' électrovanne (23) permet l'expansion du gaz dans le cylindre pour un nouveau cycle identique au précédent. La fin du déplacement du piston en phase de compression termine ce deuxième cycle. L'électrovanne (24) est fermée et les électrovannes (21 et 22) sont ouvertes. Le fluide B.T. refroidit le concentrateuréchangeur « A » et commence une nouvelle recharge de ce concentrateur « A » en CO2 liquide. Un nouveau double cycle recommence mais cette fois c'est le concentrateur-échangeur « B » (7) qui est utilisé pendant que le concentrateur (6) se remplit de CO2 à l'état liquide. L'utilisation de deux concentrateurs-échangeurs et la capacité de chaque concentrateur de pouvoir effectuer deux cycles d'expansion du gaz permettent de réduire l'intervalle entre les cycles. Le mouvement linéaire du piston est transformé en mouvement circulaire et l'énergie mécanique est stockée dans le volant (30). Pour produire de l'énergie électrique, le volant doit entraîner un alternateur (31). Les modes de réalisation présentés ne sont pas limitatifs. Sans sortir du cadre de l'invention, de nombreuses variantes technologiques sont possibles, notamment dans les choix des matériaux les plus adaptés à chaque usage. REVENDICATIONS1) Moteur thermique à combustion externe et à densités variables du fluide moteur caractérisé en ce qu'il comporte: un ou plusieurs cylindres (4) munis d'un piston (5); un circuit fermé contenant le fluide moteur; une source chaude (1); une source froide (2); un système de conservation de l'énergie mécanique (30) produite par le moteur. 2) Moteur thermique à combustion externe et à densités variables du fluide moteur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il utilise le dioxyde de carbone comme fluide moteur, dans ses phases liquide et gazeuse. 3) Moteur thermique à combustion externe et à densités variables du fluide moteur selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce que le circuit contenant le fluide moteur à densité constante peut être divisé, dans chaque cycle, en plusieurs parties à densités différentes par un système de compartimentations, ce qui ne demande pas de recourir à une énergie supplémentaire extérieure. 4) Moteur thermique à combustion externe et à densités variables du fluide moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les variations de concentration du fluide moteur sont obtenues par l'effet des changements d'état du fluide et des compartimentations du circuit. 5) Moteur thermique à combustion externe et à densités variables du fluide moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le circuit fermé contenant le fluide moteur est composé de: - un réservoir-échangeur (3) constitué d'un réservoir muni d'un échangeur de chaleur et contenant la partie la plus importante du fluide moteur, qui est maintenu toujours à basse température par le fluide provenant de la source froide et circulant dans l'échangeur du réservoir. - un concentrateur-échangeur (6) constitué d'un deuxième réservoir muni d'un échangeur de chaleur en communication soit avec la source froide (2) soit avec la source chaude (1)), placé entre le bas du réservoir-échangeur (3) et le cylindre (4), apte à contenir du fluide moteur à très haute densité. - un gaz-cooler (8) constitué d'un échangeur de chaleur dans lequel circule le fluide provenant de la source à basse température et placé entre le cylindre (4) et le réservoir-échangeur (3) apte à refroidir le fluide moteur provenant du cylindre. 6) Moteur thermique à combustion externe et à densités variables du fluide moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que le cycle thermodynamique de la machine thermique est constitué de deux phasesautonomes et qui peuvent avoir des vitesses différentes: une phase d'expansion à température constante dans le cylindre (4) du fluide moteur à très haute densité qui produit du travail mécanique et une phase de compression du fluide moteur dans le réservoir-échangeur (3) par fourniture de travail mécanique. 7) Moteur thermique à combustion externe et à densités variables du fluide moteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que l'énergie mécanique produite est stockée dans un système d'accumulation quelconque (30) entraînant un alternateur (31) pour une production d'énergie électrique.