Brevet FR3152294A1 — publié le 20250228

Dispositif de compression ou de détente, à piston dépourvu de symétrie axiale, à circulation externe forcée, destiné aux transformations pseudo-isothermes. L’invention concerne un dispositif réduisant les élévations ou abaissements de température d’un fluide (3) durant ces transformations thermodynamiques. Il est au minimum constitué par un cylindre allongé étanche (1), un piston mobile solide ou liquide (2) assurant la compression ou détente, un fluide (3) subissant cette transformation, deux orifices assurant la sortie (11) et rentrée (10) du fluide (3). Extérieurement au cylindre (1) le dispositif inclue un échangeur thermique (4), des conduites (6) et une soufflante (5). En cas de piston liquide, une pompe ou un expandeur hydraulique (8) assure le déplacement du liquide hydraulique (9) via un orifice hydraulique (14). Le dispositif peut inclure des séparations physiques mobiles, imperméables au fluide (4), et des réserves thermiques externes (7). Le dispositif est destiné à améliorer les performances thermodynamiques des compresseurs, turbines, pompes à chaleur, ORCs, stockages énergétiques et unités de liquéfactions. Figure pour l’abrégé: Fig. 2 Dispositif de compression ou de détente, à piston dépourvu de symétrie axiale, à circulation externe forcée, destiné aux transformations pseudo-isothermes. La présente invention concerne un dispositif de compression ou de détente de fluides gazeux ou supercritiques, destiné à assurer des transformations thermodynamiques pseudo-isothermes. Dans le domaine des compressions ou des détentes des fluides gazeux ou supercritiques, les équipements les plus aisés à construire, à étanchéifier et à exploiter, possèdent presque toujours une symétrie axiale au niveau de leur composante principale assurant cette compression ou cette détente. Ainsi sont extremement répandus les compresseurs et les expandeurs à turbine radiale, à turbine axiale, à pistons circulaires, à vis hélicoïdales, à palette. Meme les différents compresseurs à spirales bénéficient dans leur rotation de l’uniformité d’une symétrie axiale. Du fait de cette particularité, les compressions ou les détentes réalisées par ces équipements conventionnels suivent une transformation thermodynamique de type adiabatique sans échange possible de chaleur, souvent nommé pseudo-isentropique. Le terme « pseudo » traduit ici le fait que tout équipement introduit de plus un certain niveau d’irréversibilité thermodynamique par rapport à une transformation idéale. Toute compression ou détente du fluide produira une élévation ou un abaissement de sa température, interprétable selon la courbe isentropique du diagramme Enthalpie-Pression du fluide considéré, aux irréversibilités près. Dans quelques rares applications, cette élévation ou abaissement de la température du fluide compressé ou détendu peut représenter un avantage opérationnel. Cependant chaque fois que l’objectif de cette compression est purement celui d’accroitre la pression du fluide, on peut calculer que, selon la composition du fluide, ses états initiaux de pression, température et de volume massique, et selon le taux de compression désiré, le travail nécessaire à cette compression pseudo-isentropique est malheureusement 20% à 50% supérieur à celui que demanderait une compression pseudo-isotherme, donc non-adiabatique. De meme chaque fois que l’objectif d’une détente est purement celui de produire du travail, on peut calculer que, selon la composition du fluide, ses états initiaux de pression, température et de volume massique, et selon le taux de détente désiré, le travail que pourrait produire une détente pseudo-isotherme serait 20% à 50% supérieur à celui que produit une détente adiabatique pseudo-isentropique. Depuis de nombreuses années, de nombreuses inventions se sont intéressées à se rapprocher des compressions isothermes, bien entendu par des extractions ou apports de chaleur au cours de la transformation. Ces dispositifs ou procédés sont souvent complexes et leurs résultats néanmoins modestes. Le plus répandu est l’étagement des compressions ou détentes, par lequel est utilisé une couteuse pluralité de compresseurs ou d’expandeurs, bénéficiant d’extraction ou d’apport de chaleur entre ces étages. Un autre procédé est l’injection de gouttelettes de liquide (du fluide lui-même, ou alors d’eau ou d’huile) pendant les compressions, tel le dispositif décrit dans le brevet EP2449259B1. Un autre procédé exploite le fait que le liquide d’un « piston-liquide » humidifie dans son déplacement une masse évidée de forte surface d’échange thermique (à parois, à lamelles, ou à garnissage de forte porosité) tel le dispositif décrit dans le brevet US4446698A, ce qui va permettre de réduire la variation de température subie par le fluide à compresser ou à détendre. Dans l’invention objet de cette demande, notre travail de simulation nous a permis d’explorer une voie nouvelle prometteuse, mais qui impose de s’éloigner de la facilité de construction, d’étanchéification et d’exploitation des dispositifs existants, qui bénéficient d’une symétrie axiale au niveau de leur composante principale assurant cette compression ou cette détente. Outre les applications aux pures compressions et aux pures détentes des fluides industriels ou fluides naturels courants (O2, N2, CO2, CH4, NH3, H2O, H2, etc) pour des usages de densification, expansion ou pour des usages de ces fluides en tant que réfrigérants de cycles thermodynamiques, cette invention pourrait aussi permettre de grandement faciliter les liquéfactions les plus complexes de fluides, par la suppression des étages et/ou par la réduction du nombre de cascades de réfrigérants multiples. Grace au progrès d’une compression pseudo-isotherme, il serait par exemple possible d’envisager une importante simplification des procédés de liquéfaction du méthane via la réfrigération du R744 (alias CO2), ou l’importante simplification de la liquéfaction de l’hydrogène, très couteux en capex et en energie à actuellement 12-15 kWh/kg H2, via une simple cascade de réfrigération au réfrigérant R744 liquéfiant le réfrigérant R728 (alias N2), et assurant également l’extraction de chaleur liée à la conversion de l’H2 ortho en H2 para. Dans le dispositif objet de l’invention, la composante physique principale assurant la compression ou la détente perd toute symétrie axiale et est constitué d’un ou plusieurs pistons et cylindres, de forme allongée, d’un rapport de longueur sur largeur généralement compris entre 1,50 et 15 selon le niveau d’isothermie désiré, et munis d’au moins deux orifices dédiés à la sortie et à la rentrée du fluide aux extrémités de la longueur du cylindre allongé. Le dispositif reçoit en outre le support d’un ou plusieurs échangeurs externes pour les nécessaires extractions ou apports de chaleur ainsi que celui d’une soufflante externe à vitesse variable. Une circulation externe forcée est ainsi assurée en boucle fermée entre ces équipements. Il est estimé que la soufflante consomme beaucoup moins de travail que le travail gagné grace à ces transformations pseudo-isothermes. Dans le fonctionnement pseudo-isotherme de compression d’un fluide gazeux ou supercritique, la circulation rapide du fluide dans l’axe longitudinal du cylindre allongé, lui permet de ne subir, au niveau moléculaire, qu’une courte compression avant de bénéficier d’un refroidissement immédiat à une température de consigne dans l’échangeur externe, le fluide étant continuellement animé d’une énergie cinétique par la soufflante externe. Ces molécules du fluide vont ensuite pénétrer de nouveau dans l’ensemble cylindre-piston, pour y subir de nouvelles courtes compressions. Ceci jusqu’au moment où le fluide aura atteint la montée de pression désirée. Dans le fonctionnement pseudo-isotherme de détentes d’un fluide gazeux ou supercritique, la circulation rapide du fluide dans l’axe longitudinal du cylindre allongé, lui permet de ne subir, au niveau moléculaire, qu’une courte détente avant de bénéficier d’un réchauffage immédiat à une température de consigne dans l’échangeur externe, le fluide étant continuellement animé d’une énergie cinétique par la soufflante externe. Ces molécules du fluide vont ensuite pénétrer de nouveau dans l’ensemble cylindre-piston, pour y subir de nouvelles courtes détentes. Ceci jusqu’au moment où le fluide aura atteint la réduction de pression désirée. Bien entendu, il est necessaire de tolérer une petite variation de la température du fluide dans l’ensemble cylindre-piston allongé, par exemple de 5, 10 ou 15 Kelvin, pour que l’échange thermique, généralement par chaleur sensible, puisse etre réalisé dans l’échangeur externe. Dans un mode de réalisation préférée de l’invention, c’est un piston-liquide, utilisant les mouvements d’un liquide hydraulique par une ou plusieurs pompes ou expandeurs hydrauliques, qui réalise la variation de volume nécessaire à la compression ou à la détente, toujours dans un cylindre allongé. Les problèmes d’étanchéité attendus des pistons solides non-cylindriques sont alors évités dans ce mode, bien qu’une ovalisation régulière dans ses extrémités devrait permettre à un piston solide allongé de fonctionner sans fuites excessives, comme l’a démontré une moto japonaise de compétition Honda NR750 dans les années 1979-80. Une amélioration peut être apportées au dispositif en mode piston-liquide en ce que, pour limiter les risques de dissolution du fluide dans le liquide hydraulique, dissolution préjudiciable au maintien de sa masse dans le dispositif et préjudiciable au fonctionnement de la pompe ou de l’expandeur hydrauliques par apparition de cavitation, peut également être prévue une séparation physique mobile entre le liquide hydraulique et le fluide à compresser ou à détendre. Cette séparation peut être par exemple obtenue par le confinement du liquide hydraulique et/ou par le confinement du fluide à compresser ou à détendre au moyen de bâche(s) flexible(s), par exemple sous la forme de membrane ou de vessie, ou par l’incorporation d’un liquide spécifique de séparation ou d’une membrane solide flottante à l’interface entre le fluide propulseur et le liquide hydraulique. Un ajustement spécifique du PH du fluide hydraulique peut parfois également répondre à cette problématique de dissolution. Les dessins annexés illustrent l’invention : FIG. 1 expose, dans le cas particulier du diagramme Enthalpie-Pression du fluide CO2, la difference de variations enthalpiques entre une compression isentropique conventionnelle, de segment AB, suivi du refroidissement de segment BC, et une compression isotherme de segment AC, de memes points de départ et d’arrivée, réalisée par 11 circulations tolérant une augmentation de température de 15 Kelvin, ou réalisée par 32 circulations tolérant une augmentation de température de 5 Kelvin. FIG. 2 décrit l’ensemble du dispositif dans le mode préféré à piston liquide. Le cylindre allongé (1) reçoit le piston liquide (2). Le fluide (3) circule dans l’échangeur externe (4) à l’aide de la soufflante externe (5), via les conduites (6), de l’orifice de sortie (11) vers l’orifice de rentrée (10). Le déplacement du piston liquide est assuré par une pompe ou un expandeur hydraulique (8) permettant l’entrée et la sortie du liquide hydraulique (9) via l’orifice hydraulique (14). Les réserves thermiques externes (7), qui peuvent etre simplement constitués par l’environnement, permettent l’extraction ou l’apport de chaleur FIG. 3 détaille une vue en coupe du cylindre allongé (1). Ce dernier reçoit le piston liquide (2). Les orifices de sortie du fluide (11) et les orifices de rentrée du fluide (10) sont bien visibles, ainsi que l’orifice hydraulique (14). Le cylindre allongé (1) doit pouvoir résister à des pressions élevées, il est donc ici équipé de brides (12) permettant la fixation de ses extrémités (13), ici mobiles par commodité d’assemblage. FIG. 4 montre une vue en 3 dimensions du cylindre allongé (1). Les orifices de sortie du fluide (11) sont masqués et les orifices de rentrée du fluide (10) sont bien visibles, ainsi que l’orifice hydraulique (14). Le cylindre allongé (1) doit pouvoir résister à des pressions élevées, il est donc ici équipé de brides (12) permettant la fixation de ses extrémités (13), ici mobiles par commodité d’assemblage. FIG. 5 illustre le maillage d’une simulation aux éléments finis de la circulation du fluide (3) et de ses états de pression, température et de volume massique en différents points internes à l’ensemble cylindre-piston. Le dispositif est constitué par au moins un cylindre (1), au moins une composante physique mobile assurant la compression ou la détente, matérialisée par un ou plusieurs pistons, y compris le choix d’un piston liquide (2) dans un mode de réalisation préférée de l’invention, au moins un fluide (3) subissant cette compression ou cette détente en phase gazeuse ou supercritique, au moins deux orifices dédiés à la sortie (11) et à la rentrée (10) du fluide (3) aux extrémités de la longueur du cylindre (1) ainsi qu’au moins un échangeur thermique (4) relié par des conduites (6) incorporant une soufflante externe à vitesse variable (5), une circulation externe forcée étant ainsi assurée en boucle fermée entre ces équipements, caractérisé par le fait que le cylindre (1) possède une forme allongée, d’un rapport de longueur sur largeur généralement compris entre 1,50 et 15 selon son axe longitudinal. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’est dévolu à un piston-liquide (2), utilisant les mouvements d’un liquide hydraulique (9) par une ou plusieurs pompes ou expandeurs hydrauliques (8) la fonction de réaliser, via un orifice hydraulique (14), la variation de volume nécessaire à la compression ou à la détente du fluide (3) dans le cylindre allongé (1). Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que sont prévus, pour éviter des dissolutions du fluide (3) dans le liquide hydraulique (9), une séparation physique mobile, telle que une ou des bâche(s) flexible(s) sous la forme de membrane ou de vessie, ou une membrane solide flottante, ou un liquide spécifique de séparation, ou un ajustement spécifique du PH du fluide hydraulique (9). Utilisation d’un dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 pour réaliser des compressions ou des détentes pseudo-isothermes d’un fluide (3) aux fins de produire de la chaleur ou du froid, ou d’absorber ou de produire du travail, ou de simplifier certains cycles de liquéfaction des gaz.