Brevet FR2979420A1 — publié le 20130301

DISPOSITIF DE CHAUFFAGE DE FLUIDE ET PROCEDE DE CHAUFFAGE ASSOCIE La présente invention concerne un dispositif destiné à apporter des calories à un fluide, liquide ou gazeux, par transformation d'une énergie mécanique en énergie calorique ou thermique. Dans la suite de la description, l'utilisation du terme « calorie» correspond à la notion d'énergie thermique. On connaît des dispositifs de chauffage de fluide qui utilisent des compresseurs, pistons, ou similaires. Ces derniers sont assez encombrants et complexes du fait des pièces mobiles en translation. Par ailleurs, les dispositifs connus ne permettent pas en eux-mêmes de faire circuler ou évacuer le fluide chauffé. La présente invention vise d'une part à chauffer un fluide par transformation d'un mouvement en calories, et d'autre part à permettre de faire circuler le fluide pour récupérer les calories ainsi apportées. A cette fin, selon l'invention, le dispositif de chauffage de fluide, comportant au moins un élément mobile en contact avec le fluide, et dont le mouvement provoque un échauffement du fluide, est caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte apte à contenir le fluide et à l'intérieur de laquelle ledit élément mobile est monté à rotation. Ainsi, le dispositif met le fluide en mouvement tournant, voire tourbillonnant, ce qui notamment associé à des frottements au sein du fluide et contre la paroi intérieure de l'enceinte, génère un échauffement du fluide fournissant de l'énergie thermique. Le mouvement de l'élément dit tournant ou rotatif est avantageusement simple de fonctionnement et le dispositif est peu encombrant. En outre, le dispositif présente un bon rendement. Afin d'augmenter les frottements et favoriser le brassage, voire la turbulence du fluide, le dispositif comporte des organes en saillie sur au moins une partie de sa surface en contact avec le fluide. Les organes en saillie sont avantageusement des ailettes ayant une direction longitudinale sensiblement parallèle à l'axe de rotation dudit élément tournant. En première variante, les ailettes ont une direction longitudinale légèrement inclinée par rapport à l'axe de rotation dudit élément tournant, et en seconde variante, les ailettes sont disposées en hélice. Les ailettes sont préférentiellement disposées sur la paroi interne de ladite enceinte, de manière que leurs arêtes distales (opposées aux parois de l'enceinte) soient en regard et à proximité de la surface extérieure du dit élément tournant. L'élément rotatif est formé d'un corps de révolution, de préférence creux, de forme cylindrique, tronconique, ou combinaison des deux, ou encore à section diamétrale en forme générale de H ou de I. 25 30 L'élément rotatif est creux et fermé sur sa périphérie, ou bien est plein en étant formé en son coeur d'un matériau possédant une forte capacité thermique ou d'un matériau à faible capacité thermique, tel que le vide afin respectivement d'augmenter ou non l'inertie thermique du dispositif. Le dispositif peut comporter un, deux ou plusieurs éléments rotatifs, de préférence disposés selon un axe commun, lui-même colinéaire à l'axe longitudinal de l'enceinte. Pour permettre la circulation du fluide, l'enceinte comporte au moins une lo entrée et au moins une sortie de fluide, lesdites entrée et sortie étant susceptibles d'être obturées de manière temporaire. Dans un mode de réalisation, lorsque le fluide reste emprisonné dans l'enceinte, le dispositif permet de façon simple, principalement en fonction 15 de la vitesse de rotation de l'élément tournant, une montée en puissance progressive de l'échauffement et donc de la montée en température. Selon une forme particulière de réalisation, la paroi de l'enceinte est en matériau conducteur de la chaleur. 20 Avantageusement, la surface extérieure de l'élément tournant en contact avec le fluide est traitée de manière à être lisse. L'enceinte présente une section circulaire, carrée ou rectangulaire, à base 25 circulaire, carrée, rectangulaire, polygonale telle qu'octogonale, ou elliptique. Dans le cas d'une base polygonale, la paroi de l'enceinte est ainsi à multi-facettes. L'invention est également relative à un ensemble comprenant une pluralité 30 de dispositifs qui peuvent être montés entre eux en parallèle et/ou en série. On entend par mise en parallèle, l'association de plusieurs dispositifs tels que les éléments tournants sont rotatifs autour d'un même axe de rotation 5 ou même moyen d'entraînement. Chacun des dispositifs alimente en chauffage un ou plusieurs équipements. On entend par mise en série, l'association de plusieurs dispositifs tels que la sortie d'un dispositif est reliée à l'entrée d'un autre, chaque dispositif 10 étant indépendant par rapport à leur axe de rotation. L'entrée du premier dispositif en série est connectée à la sortie d'un équipement à alimenter en chauffage, tandis que la sortie du dernier dispositif est reliée à l'entrée de l'équipement. 15 L'invention concerne également un procédé destiné à chauffer un fluide, à l'aide du dispositif ci-dessus, caractérisé en ce que l'on : - Place un élément tournant en contact avec le fluide, et - Anime ledit élément d'un mouvement de rotation de manière à créer un mouvement tournant du fluide et des frottements avec le 20 fluide et/ou dans le fluide. Dans une première variante du procédé, on remplit l'enceinte de fluide et on referme cette dernière, puis on provoque la rotation de l'élément tournant, enfin on récupère les calories que l'enceinte prend du fluide, par 25 conduction ou convection à l'aide d'un autre fluide extérieur à l'enceinte. Selon une seconde variante du procédé, on munit l'enceinte d'au moins une entrée et d'au moins une sortie de fluide, lesdites entrée et sortie étant susceptibles d'être obturées de manière temporaire, on achemine du 30 fluide dans l'enceinte que l'on remplit, puis on provoque la rotation de l'élément tournant, ce qui provoque l'échauffement du fluide et sa mise en circulation, et on alimente en permanence l'enceinte. L'invention sera bien comprise à la lumière de la description qui suit, se s rapportant aux dessins annexés, dans lesquels : - La figure 1 est une coupe schématique longitudinale (selon un plan axial) d'un premier exemple de réalisation du dispositif de l'invention ; - La figure 2 est une vue en coupe selon un plan diamétral du dispositif lo de la figure 1, selon le plan II-II; - La figure 3 est une vue schématique longitudinale d'un second exemple de réalisation du dispositif de l'invention ; - La figure 4 est une vue en coupe transversale du dispositif de la figure 3 selon le plan IV-IV ; 15 - La figure 5 illustre une vue en coupe partielle longitudinale du dispositif selon une variante de réalisation ; - Les figures 6 et 7 illustrent schématiquement deux variantes de réalisation de l'association de plusieurs dispositifs. 20 On a représenté sur les figures 1 et 2 des vues schématiques en coupes respectivement longitudinale et transversale d'un premier exemple de dispositif de l'invention. Le dispositif 1 de la figure 1 comporte une enceinte 2 cylindrique à base 25 carrée, comprenant une paroi parallélépipédique 3, dont seuls deux côtés 3A et 3B sont visibles sur la figure 1. La paroi 3 est fermée à ses extrémités par deux parois carrées, respectivement frontale 4 et arrière 5. L'intérieur de l'enceinte est rempli d'un fluide 6 qui peut être soit liquide, tel 30 que par exemple de l'eau ou de l'huile, soit gazeux : vapeur, air, azote, etc. La paroi arrière 5 de l'enceinte 2 est traversée en son centre, avec un système d'étanchéité et de palier 7, par un arbre 8. L'extrémité proximale (opposée à l'enceinte 2) de l'arbre 8 dépasse de la paroi arrière 5 et est reliée à un moyen d'entrainement, tel qu'un moteur électrique 9, connu en soi, ou tout autre moyen d'entraînement équivalent du type courroie, poulie, etc.... La partie de l'arbre 8 située dans l'enceinte 2 est dans cet exemple en porte-à-faux. L'arbre 8 est entrainé en rotation sur lui-même selon son axe X-X longitudinal, par le moteur 9. L'axe X-X est également l'axe longitudinal central de l'enceinte 2. L'arbre 8 est solidaire d'un, de deux, ou de plusieurs éléments dits d'entrainement de fluide, en l'occurrence deux éléments 10 et 13 sur l'exemple de la figure 1. Le premier élément 10 d'entrainement de fluide est fixé à l'extrémité distale de l'arbre 8 (extrémité opposée au moteur 9) et comporte un disque 11 à base circulaire, le pourtour duquel est solidaire d'un anneau cylindrique 12. Ledit élément 10 montre ainsi, en coupe diamétrale de la figure 1, une forme d'un I dont la barre verticale correspond au disque 11. La partie de l'arbre 8 située dans l'enceinte 2, entre le premier élément 10 et la paroi arrière 5, est rendue solidaire d'un second élément 13 d'entrainement de fluide, creux et fermé sur l'ensemble de sa périphérie, 30 de forme cylindrique, et comprenant deux flasques ou disques, respectivement frontal 14 et arrière 15, reliés par une paroi cylindrique 16. L'enceinte 2 et les parois cylindriques 12 et 16 (des éléments respectifs 10 et 13 d'entrainement du fluide) sont de préférence en matériau conducteur de la chaleur, tel que de l'aluminium. Afin d'éviter les pertes de calories vers l'extérieur du dispositif, l'arbre 8 est en un matériau isolant ou faiblement conducteur de la chaleur, tel que par exemple en céramique du type zircone. Les surfaces des parois cylindriques de l'anneau 12 et de la paroi 16 destinées à être au contact du fluide, sont traitées de manière à être les plus lisses possible. La figure 2 représente le dispositif en coupe selon un plan perpendiculaire à l'axe X-X de l'arbre 8, montrant l'arbre 8, les parois rectangulaires 3A, 3B, 3C et 3D de l'enceinte 2, le disque 11 et l'anneau 12 du premier élément 10 d'entrainement du fluide. Ce premier exemple de réalisation (figures 1 et 2) fonctionne de la manière suivante. On remplit de fluide 6 l'espace ou le volume fermé délimité par la surface intérieure de l'enceinte et la surface extérieure des éléments 10 et 13, par l'intermédiaire d'un orifice 30 obturable connu en lui-même. L'orifice 30 est ensuite bouché. Le fluide 6 reste à demeure dans l'enceinte 2. Le moteur 9 est alors mis en marche et il entraine l'arbre 8, qui à son tour entraine en rotation, selon l'axe X-X, les premier et second éléments 10 et 13. De part la viscosité et la pression du fluide, et préférentiellement du fait que la paroi de l'élément tournant est lisse, le fluide est donc entraîné par rotation et des frottements sont générés contre la paroi de l'enceinte provoquant l'échauffement du fluide. On peut considérer que les vitesses respectives des particules du fluide et des surfaces de l'élément tournant sont quasiment identiques. L'apport de calories par unité de temps (énergie thermique) est fonction notamment du fluide (nature, viscosité, température, pression), de l'état de surface des parois 12 et 16 d'entrainement du fluide, et de la vitesse de rotation de l'arbre 8. A titre d'exemple, le fluide présente au démarrage du dispositif une viscosité de 0,001 Pa.s à 390K pour une pression au sein du dispositif de 100 kPa. Dans ce mode de réalisation correspondant à un fonctionnement selon un échangeur thermique (figures 1 et 2), la paroi de l'enceinte est en matériau conducteur de la chaleur, pour permettre de communiquer, par conduction ou convection, les calories, qu'elle reçoit du fluide 6 intérieur, à un autre fluide, extérieur à l'enceinte, associé à un système de récupération (non représenté). La figure 3 est une vue en coupe, selon un plan vertical diamétral, d'une seconde forme de réalisation de l'invention. Les parties similaires ou identiques au dispositif de la figure 1 comportent les mêmes références. On retrouve l'enceinte 2, l'arbre 8 et ses moyens d'étanchéité et de palier 7, et le moteur 9. L'enceinte et l'arbre sont colinéaires à l'axe longitudinal X-X du dispositif. L'enceinte 2 comporte une paroi cylindrique 17 fermée à ses extrémités par deux parois, respectivement avant 18 et arrière 19, en forme de disque. L'extrémité distale (opposée au moteur 9) de l'arbre 8 est supportée par un palier 20 prévu dans la paroi avant 18 de l'enceinte. L'unique élément 21 d'entrainement de fluide, à l'intérieur de l'enceinte, est creux aux parois fermées. Il présente une forme générale rappelant celle d'une cloche. L'élément 21 comporte successivement, en s'éloignant de la paroi arrière 19 de l'enceinte : - un flasque plat arrière 22, en forme de disque, solidaire de l'arbre 8; - une paroi arrière 23 en tronc de cône ; - une paroi centrale 24 en forme de cylindre - une paroi avant 25 en tronc de cône ; - un embout 26 solidaire de l'arbre 8. Les différentes parties 22 à 26 de l'élément 21 présentent un axe de symétrie de révolution colinéaire à l'axe longitudinal X-X du dispositif. La surface interne de l'enceinte 2 présente une forme générale et une succession de sections transversales qui épousent et sont sensiblement parallèles et à distance (de quelques cm par exemple) des parties constitutives de l'élément 21 d'entrainement de fluide. Ainsi : - la paroi 19 de l'enceinte est parallèle au flasque 22 arrière de l'élément 21. - la paroi cylindrique 17 de l'enceinte présente : - une partie cylindrique centrale 17A de diamètre légèrement supérieur au flasque 22 arrière de l'élément 21 ; cette partie est en regard du flasque 2 et la paroi arrière 23 et de la paroi centrale 24 de l'élément 21. - une partie avant 17B en tronc de cône en regard et à distance de la partie tronconique 25 de l'élément 21. - la paroi avant 18 de l'enceinte comporte un évidement cylindrique 17 C de diamètre nettement plus grand que celui de l'embout 26 de l'élément 21. La figure 4 est une coupe selon le plan diamétral IV-IV de la figure 3, montrant certaines des parties du dispositif de la figure 3. Il est ainsi ménagé un espace ou volume entre d'une part les surfaces internes de la paroi de l'enceinte 2, et d'autre part les surfaces extérieures des parois de l'élément 21. En regard des figures 3 et 4, sur la surface intérieure de l'enceinte, et plus précisément sur la partie cylindrique centrale 17A, sont prévues des organes en saillie tels que des ailettes, ou lames ou lamelles 27 et 28, longilignes et sensiblement parallèles à l'axe longitudinal X-X. Seules deux ailettes 27 et 28 sont visibles sur la figure 3. En regard de la figure 4, les ailettes sont uniformément réparties sur le pourtour de ladite paroi 17A (par exemple douze ailettes disposées tous les 30° angulairement). Les ailettes ont une longueur (selon l'axe X-X) légèrement inférieure à la partie cylindrique centrale 17A de l'enceinte, de manière à ménager un espace pour la partie tronconique 23 arrière et la périphérie du flasque arrière plat 22 de l'élément 21. Les ailettes sont disposées sur la paroi interne de ladite enceinte, de manière que leurs arêtes distales (opposées aux parois de l'enceinte) soient en regard et à proximité de la surface extérieure du dit élément tournant. La distance de séparation entre la surface intérieure de la paroi 17 de l'enceinte et des arêtes distales des ailettes est fonction des dimensions de l'enceinte de l'élément tournant 21 et de l'espace séparant l'enceinte dudit élément tournant. Enfin, il est prévu dans l'enceinte une entrée d'alimentation de fluide 29 (flèche f), située du côté avant de l'enceinte, et une sortie de fluide 30 (flèche g) du côté arrière de l'enceinte. L'entrée et la sortie peuvent être ouvertes ou obturées à la demande, de manière connue (non représentée). En variantes, les ailettes peuvent être inclinées (disposées obliquement) par rapport à l'axe X-X ou encore en hélice. La figure 5 montre une vue partielle d'un côté de l'enceinte 2 avec une ailette 27 inclinée par rapport à l'axe X-X. L'inclinaison a pour fonction de favoriser l'écoulement du fluide depuis l'entrée 29 vers la sortie 30 en adaptant le sens de rotation de l'élément tournant. Les ailettes sont orientées en étant divergentes par rapport à l'axe X-X en direction de la sortie, et le sens de rotation de l'élément tournant est alors adapté pour que le fluide soit d'autant plus entraîné vers la sortie. Par exemple, sur la vue de la figure 5, l'élément tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. Ce second exemple de réalisation (figures 3 et 4) fonctionne de la manière suivante. De même que pour l'exemple des figures 1 et 2, le fluide 6 étant introduit dans le volume entre la paroi 17 de l'enceinte 2 et la paroi de l'élément 21 d'entrainement, on fait tourner le moteur qui entraine l'arbre et donc l'élément d'entrainement de fluide 21. Les ailettes, faisant saillie dans le volume annulaire (rempli de fluide) augmentent le brassage du fluide et donc les frottements et ainsi la température du fluide. Le fluide est alimenté (entrée 29) dans le volume de l'enceinte entre la paroi interne de celle-ci et la paroi de l'élément 21. Le fluide est brassé et chauffé comme indiqué ci-dessus, puis évacué par la sortie 30 (à une température supérieure par rapport à celle de son entrée). Ce déplacement du fluide est réalisé par la rotation de l'élément 21 et du fait des frottements au sein du fluide. Il est possible de faire fonctionner le dispositif des figures 3 et 4 en fermant l'entrée 29 et la sortie 30, pour laisser le fluide à l'intérieur de l'enceinte s'échauffer, afin de récupérer directement les calories au niveau de la paroi 1 de l'enceinte (qui est en matériau conducteur de la chaleur). Les dimensions du dispositif, à titre d'exemple, sont les suivantes : - longueur enceinte : 40 cm - diamètre enceinte : 20 cm - longueur de l'élément tournant : 39,5 cm - diamètre de l'élément tournant : 19 cm - écart entre la surface interne de l'enceinte et parois latérales de l'élément tournant : entre 0,5 et 6 cm - écart entre bord distal des ailettes et paroi extérieure de l'élément tournant : 5 mm - vitesse rotation de l'élément tournant de 0 à 10 000 tr/mn Les éléments 12, 13 et 21 d'entrainement du fluide, des figures 1 et 3 peuvent être soit monobloc d'une seule pièce, soit constitués de pièces distinctes assemblées et solidarisées. Les éléments tournants 13 et 21 ont été décrits de préférence creux. Toutefois, ils peuvent également être pleins. Le volume intérieur des éléments est rempli soit d'un matériau possédant une forte capacité thermique soit d'un matériau à faible capacité thermique, tel que le vide, afin respectivement d'augmenter ou non l'inertie thermique du dispositif. Dans le cas d'un matériau possédant une forte capacité thermique, le dispositif permettra ainsi de restituer au cours du temps l'énergie thermique. Ainsi, en fonction du résultat souhaité et de la capacité thermique du dispositif, le chauffage pourra être plus ou moins rapide avec possibilité de restitution de la chaleur dans le temps. Selon l'invention, plusieurs dispositifs peuvent être couplés entre eux. On assurera un raccordement en série et/ou en parallèle. La figure 6 illustre une mise en série de deux dispositifs D1 et D2 qui sont reliés à un équipement E à alimenter en chauffage. La sortie de l'équipement E est reliée à l'entrée 29 du premier dispositif Dl dont la sortie 30 est reliée à l'entrée du second dispositif D2, ce dernier étant connecté par sa sortie à l'entrée de l'équipement E. Chacun des dispositifs présente un arbre de rotation 8 distinct. La figure 7 illustre une mise en parallèle d'au moins deux dispositifs D3 et D4 qui sont destinés à alimenter chacun un ou plusieurs équipements non représentés. Les deux ou la pluralité de dispositifs sont raccordés entre eux pour fonctionner autour d'un unique axe de rotation X-X. Les configurations en série et parallèle peuvent être combinées. La présente invention n'est pas limitée aux seuls exemples de réalisation décrits ci-dessus, mais s'étend à toutes variantes de réalisation et d'application entrant dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS1 Dispositif de chauffage de fluide, comportant au moins un élément mobile en contact avec le fluide, et dont le mouvement provoque un 5 échauffement du fluide, est caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte apte à contenir le fluide et à l'intérieur de laquelle ledit élément mobile est monté à rotation. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des organes en saillie sur au moins une partie de sa surface en contact to avec le fluide. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les organes en saillie sont des ailettes ayant une direction longitudinale sensiblement parallèle à l'axe de rotation dudit élément tournant. 4 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les ailettes, 15 ont une direction longitudinale légèrement inclinée par rapport à l'axe de rotation dudit élément tournant, ou sont disposées en hélice. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que les ailettes sont disposées sur la paroi interne de ladite enceinte, de manière que leurs arêtes distales opposées aux parois de l'enceinte 20 soient en regard et à proximité de la surface extérieure du dit élément tournant. 6 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément rotatif est formé d'un corps de révolution, de forme cylindrique, tronconique, ou combinaison des deux, ou encore à section diamétrale en 25 forme générale de H ou de I. 7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'élément rotatif est creux et fermé sur sa périphérie, ou bien est plein en étant formé en son coeur d'un matériau possédant une forte capacité thermique 2 9 79420 16 ou d'un matériau à faible capacité thermique. 8 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte un, deux ou plusieurs éléments rotatifs, de préférence disposés selon un axe commun. 5 9 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'enceinte comporte au moins une entrée et au moins une sortie de fluide, lesdites entrée et sortie étant susceptibles d'être obturées de manière temporaire. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que 10 la paroi de l'enceinte est en matériau conducteur de la chaleur. 11 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'enceinte présente une section circulaire, carrée ou rectangulaire, à base circulaire, carrée, rectangulaire, polygonale telle qu'octogonale, ou elliptique. 12 Ensemble comprenant une pluralité de dispositifs selon l'une quelconque des revendications précédentes, les dispositifs étant montés entre eux en parallèle et/ou en série. 13 Procédé destiné à chauffer un fluide, à l'aide du dispositif selon l'une des revendications là 11, caractérisé en ce que l'on : - Place un élément tournant en contact avec le fluide, et - Anime ledit élément d'un mouvement de rotation. 14 Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'on remplit l'enceinte de fluide et on referme cette dernière, puis on provoque la rotation de l'élément tournant, enfin on récupère les calories que l'enceinte prend du fluide, par conduction ou convection à l'aide d'un autre fluide extérieur à l'enceinte. 15 Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'on munit l'enceinte d'au moins une entrée et d'au moins une sortie de fluide,lesdites entrée et sortie étant susceptibles d'être obturées de manière temporaire, on achemine du fluide dans l'enceinte que l'on remplit, puis on provoque la rotation de l'élément tournant, ce qui provoque l'échauffement du fluide et sa mise en circulation, et on alimente en permanence l'enceinte.