Brevet FR3053401A1 — publié le 20180105

- 1 - «Système comprenant des moyens de refroidissement de machine thermique» Domaine technique L'invention se rapporte au domaine des machines générant de l'énergie mais devant en outre être refroidies (notamment dans les pays chauds) pour un fonctionnement optimal, comme par exemple un groupe 10 électrogène. Etat de la technique antérieure On connaît des systèmes de refroidissement d'air en entrée d'un groupe électrogène. 15 Ces systèmes sont malheureusement consommateurs en énergie, en général électrique mais également en eau. Le but de la présente invention est proposer un système comprenant des moyens pour refroidir une machine, par exemple afin d'améliorer l'efficacité énergétique ou la production de la machine (par exemple d'un 20 groupe électrogène ou d'une turbine) notamment en environnement hostile ou forte chaleur, et/ou plus économique en énergie. Exposé de l'invention Cet objectif est atteint avec un système comprenant : 25 - une machine agencée pour générer de la chaleur, - au moins une cellule thermoacoustique dite motrice, agencée pour transformer en énergie acoustique dans un circuit acoustique de la chaleur générée par une source de chaleur de la machine (chaque cellule thermoacoustique motrice comprenant de 30 préférence une matrice poreuse intercalée entre un premier échangeur de chaleur agencé pour évacuer de la chaleur vers un dispositif d'évacuation de la chaleur et un deuxième échangeur de chaleur agencé pour prendre de la chaleur de la source de chaleur), 3053401 -2- - au moins une cellule thermoacoustique dite réfrigérante, agencée pour utiliser de l'énergie acoustique du circuit acoustique afin de pomper de la chaleur à une source de froid (chaque cellule thermoacoustique réfrigérante comprenant de préférence une 5 matrice poreuse intercalée entre un premier échangeur de chaleur agencé pour évacuer de la chaleur vers un dispositif d'évacuation de la chaleur et un deuxième échangeur de chaleur agencé pour pomper de la chaleur en provenance de la source de froid), la source de froid étant agencée pour refroidir au moins une partie de la machine. L'au moins une cellule thermoacoustique motrice et l'au moins une cellule thermoacoustique réfrigérante sont de préférence disposées en série le long du circuit acoustique. La source de chaleur peut comprendre des moyens pour générer un gaz d'échappement, le deuxième échangeur de chaleur de chaque cellule thermoacoustique motrice étant agencé pour prendre de la chaleur à ce gaz d'échappement. La source de froid peut être agencée pour refroidir des gaz d'admission de la machine. Le système selon l'invention peut ne comprendre qu'un seul dispositif d'évacuation de la chaleur commun à toutes cellules thermoacoustiques motrices. Le système selon l'invention peut ne comprendre qu'un seul dispositif d'évacuation de la chaleur commun à toutes cellules thermoacoustiques 25 réfrigérantes. Le système selon l'invention peut ne comprendre qu'un seul dispositif d'évacuation de la chaleur commun à toutes cellules thermoacoustiques motrices et à toutes cellules thermoacoustiques réfrigérantes. Dans une première variante, l'au moins une cellule thermoacoustique 30 motrice et l'au moins une cellule thermoacoustique réfrigérante peuvent être disposées le long du circuit acoustique qui comprend une boucle fermée. L'au moins une cellule thermoacoustique motrice et/ou l'au moins une cellule thermoacoustique réfrigérante peuvent être disposées le long de la boucle du circuit acoustique. L'au moins une cellule thermoacoustique 3053401 - 3 - motrice peut être disposée le long de la boucle du circuit acoustique et l'au moins une cellule thermoacoustique réfrigérante peut être disposée en dehors de la boucle du circuit acoustique. Dans une deuxième variante, l'au moins une cellule thermoacoustique 5 motrice et l'au moins une cellule thermoacoustique réfrigérante peuvent être disposées le long du circuit acoustique, ledit système comprenant en outre : - en amont du circuit acoustique, des premiers moyens de conversion d'énergie électrique en énergie acoustique, et 10 - en aval du circuit acoustique, des seconds moyens de conversion d'énergie acoustique en énergie électrique les seconds moyens de conversion étant agencés pour alimenter électriquement au moins en partie les premiers moyens de conversion. L'au moins une cellule thermoacoustique motrice et l'au moins une 15 cellule thermoacoustique réfrigérante sont de préférence disposées le long du circuit acoustique de manière à former des alternances successives entre une cellule thermoacoustique motrice et une cellule thermoacoustique réfrigérante. La source de chaleur a de préférence une température de 20 fonctionnement supérieure, de préférence au moins quatre fois supérieure, à une température de fonctionnement de chaque dispositif d'évacuation de la chaleur de l'au moins une cellule thermoacoustique motrice et/ou de l'au moins une cellule thermoacoustique réfrigérante. Chaque dispositif d'évacuation de la chaleur de l'au moins une cellule thermoacoustique motrice et/ou de l'au moins une cellule thermoacoustique réfrigérante a de préférence une température de fonctionnement supérieure, de préférence au moins quatre fois supérieure, à une température de fonctionnement de la source de froid. Suivant encore un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé comprenant : - une génération de chaleur par une machine comprenant une source de chaleur, 3053401 -4- - une transformation, par au moins une cellule thermoacoustique dite motrice, de chaleur générée par la source de chaleur en énergie acoustique dans un circuit acoustique (chaque cellule thermoacoustique motrice comprenant de préférence une matrice 5 poreuse intercalée entre un premier échangeur de chaleur évacuant de la chaleur vers un dispositif d'évacuation de la chaleur et un deuxième échangeur de chaleur prenant de la chaleur de la source de chaleur), - une utilisation, par au moins une cellule thermoacoustique dite 10 réfrigérante, d'énergie acoustique du circuit acoustique pour pomper de la chaleur à une source de froid (chaque cellule thermoacoustique réfrigérante comprenant de préférence une matrice poreuse intercalée entre un premier échangeur de chaleur évacuant de la chaleur vers un dispositif d'évacuation de la 15 chaleur et un deuxième échangeur de chaleur pompant de la chaleur en provenance de la source de froid), la source de froid refroidissant au moins une partie de la machine. L'au moins une cellule thermoacoustique motrice et l'au moins une cellule thermoacoustique réfrigérante sont de préférence disposées en série 20 le long du circuit acoustique. La source de chaleur peut générer un gaz d'échappement, le deuxième échangeur de chaleur de chaque cellule thermoacoustique motrice prenant de la chaleur à ce gaz d'échappement. La source de froid peut refroidir des gaz d'admission de la machine. 25 Le système selon l'invention peut ne comprendre qu'un seul dispositif d'évacuation de la chaleur commun à toutes cellules thermoacoustiques motrices. Le système selon l'invention peut ne comprendre qu'un seul dispositif d'évacuation de la chaleur commun à toutes cellules thermoacoustiques 30 réfrigérantes. Le système selon l'invention peut ne comprendre qu'un seul dispositif d'évacuation de la chaleur commun à toutes cellules thermoacoustiques motrices et à toutes cellules thermoacoustiques réfrigérantes. 3053401 - 5 - Dans une première variante, l'au moins une cellule thermoacoustique motrice et l'au moins une cellule thermoacoustique réfrigérante peuvent être disposées le long du circuit acoustique qui comprend une boucle fermée. L'au moins une cellule thermoacoustique motrice et/ou l'au moins 5 une cellule thermoacoustique réfrigérante peuvent être disposées le long de la boucle du circuit acoustique. L'au moins une cellule thermoacoustique motrice peut être disposée le long de la boucle du circuit acoustique et l'au moins une cellule thermoacoustique réfrigérante peut être disposée en dehors de la boucle du circuit acoustique. 10 Dans une deuxième variante, l'au moins une cellule thermoacoustique motrice et l'au moins une cellule thermoacoustique réfrigérante peuvent être disposées le long du circuit acoustique, ledit procédé comprenant en outre : - une conversion, en amont du circuit acoustique et par des 15 premiers moyens de conversion, d'énergie électrique en énergie acoustique, et - une conversion, en aval du circuit acoustique et par des seconds moyens de conversion, d'énergie acoustique en énergie électrique les seconds moyens de conversion alimentant électriquement au 20 moins en partie les premiers moyens de conversion. L'au moins une cellule thermoacoustique motrice et l'au moins une cellule thermoacoustique réfrigérante sont de préférence disposées le long du circuit acoustique de manière à former des alternances successives entre une cellule thermoacoustique motrice et une cellule thermoacoustique 25 réfrigérante. La source de chaleur a de préférence une température de fonctionnement supérieure, de préférence au moins quatre fois supérieure, à une température de fonctionnement de chaque dispositif d'évacuation de la chaleur de l'au moins une cellule thermoacoustique motrice et/ou de l'au 30 moins une cellule thermoacoustique réfrigérante. Chaque dispositif d'évacuation de la chaleur de l'au moins une cellule thermoacoustique motrice et/ou de l'au moins une cellule thermoacoustique réfrigérante a de préférence une température de 3053401 - 6 - fonctionnement supérieure, de préférence au moins quatre fois supérieure, à une température de fonctionnement de la source de froid. Description des figures et modes de réalisation 5 D'autres avantages et particularités de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée de mises en oeuvre et de modes de réalisation nullement limitatifs, et des dessins annexés suivants : - la figure 1 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation de système selon l'invention, 10 - la figure 2 est une vue schématique d'un deuxième mode de réalisation de système selon l'invention, - la figure 3 est une vue schématique d'un troisième mode de réalisation de système selon l'invention, - la figure 4 est une vue schématique d'un quatrième mode de 15 réalisation de système selon l'invention, - la figure 5 est une vue schématique d'un cinquième mode de réalisation de système selon l'invention, - la figure 6 est une vue schématique d'un sixième mode de réalisation de système selon l'invention, 20 - la figure 7 est une vue schématique d'un septième mode de réalisation de système selon l'invention, et - la figure 8 est une vue schématique d'un huitième mode de réalisation de système selon l'invention. 25 Ces modes de réalisation étant nullement limitatifs, on pourra notamment considérer des variantes de l'invention ne comprenant qu'une sélection de caractéristiques décrites ou illustrées par la suite isolées des autres caractéristiques décrites ou illustrées (même si cette sélection est isolée au sein d'une phrase comprenant ces autres caractéristiques), si cette 30 sélection de caractéristiques est suffisante pour conférer un avantage technique ou pour différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Cette sélection comprend au moins une caractéristique de préférence fonctionnelle sans détails structurels, et/ou avec seulement une partie des détails structurels si cette partie uniquement est suffisante pour 3053401 - 7 - conférer un avantage technique ou à différencier l'invention par rapport à l'état de la technique antérieure. Toute machine thermique nécessite au moins la présence de deux 5 sources de chaleur à des températures différentes, d'un système de transmission de travail mécanique et d'un agent de conversion d'énergie décrivant un cycle thermodynamique. On connait des machines thermoacoustiques comprenant des cellules thermoacoustiques, par exemple tel que décrit dans le document WO 10 2011/098735. Dans une machine thermoacoustique une onde sonore impose à un fluide de travail, dans un circuit acoustique, une oscillation autour d'une position moyenne. Considérant, en première approximation une oscillation sinusoïdale, la longueur du déplacement crête est appelée déplacement 15 particulaire. Dans ces conditions, l'oscillation totale s'effectue sur une longueur égale à deux déplacements particulaires. L'oscillation autour de la position moyenne s'accompagne simultanément de phases de compression/détente du fluide. Le travail mécanique généré prend la forme d'un travail acoustique 20 exprimé par unité de temps et appelé puissance acoustique qui correspond à la moyenne temporelle, sur une période acoustique, du produit de la pression acoustique par le débit volumique du fluide oscillant. Le fluide de conversion qui doit être dilatable est généralement un gaz (ou un liquide près du point critique), tel que de l'hélium. Le cycle 25 thermodynamique mis en oeuvre par l'onde acoustique est réalisé à une échelle réduite qui correspond à celle du déplacement particulaire de la particule de fluide oscillante. L'entité de base de toute machine thermoacoustique où se déroule la conversion d'énergie par le processus thermoacoustique sera appelé « 30 cellule thermoacoustique » dans la suite de ce texte. Cette cellule thermoacoustique est composée d'une matrice solide et poreuse intercalée entre un premier échangeur de chaleur dit « chaud » à température Tc et un deuxième échangeur de chaleur dit « froid » à température Tf REVENDICATIONS1. Système (1) comprenant : - une machine (2) agencée pour générer de la chaleur, - au moins une cellule thermoacoustique dite motrice (8), agencée pour transformer en énergie acoustique dans un circuit acoustique (16) de la chaleur générée par une source de chaleur (3) de la machine, chaque cellule thermoacoustique motrice comprenant une matrice poreuse (9) intercalée entre un premier échangeur (10) de chaleur agencé pour évacuer de la chaleur vers un dispositif d'évacuation de la chaleur (7) et un deuxième échangeur (11) de chaleur agencé pour prendre de la chaleur de la source de chaleur, - au moins une cellule thermoacoustique dite réfrigérante (12), agencée pour utiliser de l'énergie acoustique du circuit acoustique afin de pomper de la chaleur à une source de froid (6), chaque cellule thermoacoustique réfrigérante comprenant une matrice poreuse (13) intercalée entre un premier échangeur (14) de chaleur agencé pour évacuer de la chaleur vers un dispositif d'évacuation de la chaleur (7) et un deuxième échangeur (15) de chaleur agencé pour pomper de la chaleur en provenance de la source de froid, la source de froid étant agencée pour refroidir au moins une partie de la machine. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de chaleur comprend des moyens pour générer un gaz d'échappement. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la source de froid est agencée pour refroidir des gaz d'admission de la machine. 4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il ne comprend qu'un seul dispositif d'évacuation de la chaleur commun à toutes cellules thermoacoustiques motrices. 3053401 -22- 5. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il ne comprend qu'un seul dispositif d'évacuation de la chaleur commun à toutes cellules thermoacoustiques 5 réfrigérantes. 6. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il ne comprend qu'un seul dispositif d'évacuation de la chaleur commun à toutes cellules thermoacoustiques motrices 10 et à toutes cellules thermoacoustiques réfrigérantes. 7. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'au moins une cellule thermoacoustique motrice et l'au moins une cellule thermoacoustique réfrigérante sont 15 disposées le long du circuit acoustique qui comprend une boucle fermée (17). 8. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'au moins une cellule thermoacoustique motrice et l'au moins une cellule 20 thermoacoustique réfrigérante sont disposées le long de la boucle du circuit acoustique. 9. Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'au moins une cellule thermoacoustique motrice est disposée le long de la 25 boucle du circuit acoustique et en ce que l'au moins une cellule thermoacoustique réfrigérante est disposée en dehors de la boucle du circuit acoustique. 10.Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé 30 en ce que l'au moins une cellule thermoacoustique motrice et l'au moins une cellule thermoacoustique réfrigérante sont disposées en série le long du circuit acoustique, ledit système comprenant en outre : - en amont du circuit acoustique, des premiers moyens de conversion (18) d'énergie électrique en énergie acoustique, et 3053401 -23- - en aval du circuit acoustique, des seconds moyens de conversion (19) d'énergie acoustique en énergie électrique les seconds moyens de conversion étant agencés pour alimenter électriquement au moins en partie les premiers moyens de 5 conversion. 11. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'au moins une cellule thermoacoustique motrice et l'au moins une cellule thermoacoustique réfrigérante sont 10 disposées le long du circuit acoustique de manière à former des alternances successives entre une cellule thermoacoustique motrice et une cellule thermoacoustique réfrigérante. 12. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce que la source de chaleur a une température de fonctionnement supérieure, de préférence au moins quatre fois supérieure, à une température de fonctionnement de chaque dispositif d'évacuation de la chaleur. 20 13. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que chaque dispositif d'évacuation de la chaleur a une température de fonctionnement supérieure, de préférence au moins quatre fois supérieure, à une température de fonctionnement de la source de froid. 25 14. Procédé comprenant : - une génération de chaleur par une machine comprenant une source de chaleur, - une transformation, par au moins une cellule thermoacoustique 30 dite motrice, de chaleur générée par la source de chaleur en énergie acoustique dans un circuit acoustique, chaque cellule thermoacoustique motrice comprenant une matrice poreuse intercalée entre un premier échangeur de chaleur évacuant de la chaleur vers un dispositif d'évacuation de la chaleur et un 3053401 -24- deuxième échangeur de chaleur prenant de la chaleur de la source de chaleur, - une utilisation, par au moins une cellule thermoacoustique dite réfrigérante, d'énergie acoustique du circuit acoustique pour 5 pomper de la chaleur à une source de froid, chaque cellule thermoacoustique réfrigérante comprenant une matrice poreuse intercalée entre un premier échangeur de chaleur évacuant de la chaleur vers un dispositif d'évacuation de la chaleur et un deuxième échangeur de chaleur pompant de la chaleur en 10 provenance de la source de froid, la source de froid refroidissant au moins une partie de la machine. 15.Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que la source de chaleur génère un gaz d'échappement et en ce que la source de froid 15 refroidie des gaz d'admission de la machine.