FR 3003897 A1 20141003 FR 1352863 A 20130329 MACHINE THERMIQUE CRYOGENIQUE La présente invention concerne une machine thermique cryogénique qui comporte une pompe à chaleur et une machine à vapeur à fluide cryogénique reliées au travers d'un échangeur de chaleur à contre courant. Son application possible est la réalisation d'un Moteur Cryogénique à injection dont le but est par exemple de co-générer du froid et de l'énergie mécanique à partir de l'énergie thermique ambiante. Les machines à vapeur à cycle de Rankine sont des machines de Carnot pour lesquelles un fluide passe alternativement de la phase liquide à la phase vapeur et qui comporte ainsi un échauffement et un refroidissement isobares. En ajoutant une étape de surchauffe de la vapeur dans le cycle de Rankine, Hirn a montré une amélioration sensible du rendement. Les valeurs limites de rendement des machines de Carnot, dont font partie les machines à cycle de Rankine, sont exprimées comme le rapport des températures absolues des sources froides et chaudes. Pour simplifier, les motoristes préfèrent utiliser le taux de compression, c'est une tautologie car la pression d'un gaz est directement liée à sa température. Guy Nègre a déposé des demandes de brevets pour un moteur cryogénique à énergie thermique ambiante et pression constante et ses cycles thermodynamiques, ces demandes de brevets étant publiées sous les numéros FR2904054A1 et W02008009681A1. Cette invention remplace la source froide des machines thermiques par une chambre à basse pression auto régénérée par une pompe à chaleur. . Plusieurs caractéristiques de cette invention s'opposent à son industrialisation. Dans le bilan énergétique du moteur, quelques postes sont passés sous silence : - l'inertie du piston dont le mouvement cinétique est inversé deux fois par cycle ; - le travail des cames pour l'ouverture et la fermeture de la chambre du piston ; - l'alternance de températures chaudes et froides dans la chambre du piston 3003 89 7 2 provoque des pertes de l'énergie calorifique. Cela au détriment de la portion convertie en énergie mécanique ; - les fuites de gaz entre le piston et son enveloppe. Ce dernier point limite les gaz frigorigènes potentiels cités dans une utilisation à 5 grande échelle : - pour l'hélium, une fuite représente un coût notable ; - pour l'hydrogène une fuite induit un risque d'explosion non négligeable ; - pour tous les gaz potentiels la fuite induit un dépérissement du stock de gaz de travail, et donc une limitation de l'autonomie. 10 Nous verrons dans la présente invention comment remédier à ces inconvénients et comment augmenter la liste des frigorigènes potentiels. Dans des machines à vapeur utilisant des composés organiques, des auteurs ont remplacé la turbine par un détendeur à vis ou par une cascade de détendeurs à vis. Les documents EP0803639, W02011035073 et W09527179 décrivent de 15 telles réalisations. La quantité d'énergie mécanique à soustraire à la machine de Rankine pour introduire le fluide dans la chambre très haute pression sera plus faible sous forme de liquide que sous forme de gaz comprimé. Mais ceci se paye énergétiquement par une quantité très importante de chaleur, car il est nécessaire de réchauffer et 20 surtout de vaporiser le liquide après l'avoir introduit dans la chambre très haute pression. Quoiqu'il en soit, il est possible de diminuer l'énergie consommée par la pompe. Une invention datant de plus de 140 ans, l'injecteur Giffard (8 mai 1858) a l'avantage de n'utiliser aucune pièce mécanique. Dans le passé ce fut le moyen le plus économique de réinjecter le condensat dans la chambre haute pression d'une 25 machine à vapeur. Aujourd'hui un système hydropneumatique pourrait éventuellement le concurrencer. L'écossais William Cullen a montré en 1755 que de la vapeur d'eau injectée sous une cloche à vide donnait un peu de glace. La détente d'un gaz comprimé effectuée après que le gaz soit revenu à la température ambiante peut produire une liquéfaction partielle du gaz. Grâce à un échangeur de chaleur à contre courant en 1871 Linde est parvenu à produire beaucoup plus facilement de l'air liquide. Le refroidissement est encore plus intense si de l'énergie mécanique est fournie par la détente du gaz. Ce principe a été utilisé par Georges Claude en 1902 pour perfectionner la machine de Linde avec un détendeur à piston. Avec un détendeur à piston il y des pertes énergétiques. Au contraire avec un détendeur à vis la détente est parfaitement contrôlée et presque toute l'énergie de la détente peut être utilisée à des fins pratiques. Par exemple Yo Shiotani dans le document EP2224093A1 diminue l'énergie extérieure à fournir à un compresseur en le couplant mécaniquement avec un détendeur à vis. Voir aussi le document EP0004609A2 qui concerne un dispositif de refroidissement à compresseur/détendeur à vis. Il est possible de faire fonctionner un détendeur à vis sans lubrifiant, par exemple dans le but de liquéfier un gaz comme l'azote comme décrit par exemple dans le document EP0566126. Des fuites de gaz n'empêchent pas une fraction du gaz de se liquéfier. Mais cette perte diminue le rendement d'une machine à cycle de Rankine. Parce qu'un gaz qui se détend sans fournir de travail, ne serait-ce que contre la pression atmosphérique, voit sa température augmenter. Cela a été révélé par l'expérience de la soufflerie de Modane, de l'air à la pression atmosphérique à 300 K est introduit dans un réservoir vide de gaz. La température mesurée après l'arrêt des turbulences s'élève à 500 K. Les pompes à chaleur à frigorigène sont aujourd'hui un produit de large consommation. Leur coefficient de performance ou rapport d'efficacité énergétique 20 (EER) est généralement compris entre 3 et 5. C'est une valeur moyenne donnée pour un fonctionnement entre certaines limites. Les surpresseurs à pistons rotatifs sont industrialisés depuis 1868 (Aerzen) ils sont capables de brasser de très grandes quantités d'air ou de gaz sans lubrifiant avec une pression positive de l'ordre de 1000 millibars, ou de provoquer une 25 dépression de l'ordre de 500 millibars. Les volumes de gaz transférés par kW fourni sont de l'ordre de 480 litres à 768 litres par minute. Dans les échangeurs de chaleur à courants parallèles les températures de sortie des fluides sont voisines et intermédiaires entre les températures d'entrée des fluides. Au mieux 50 % de la chaleur peut être transférée. Avec les échangeurs de 30 chaleur à contre courant la vitesse d'échange est plus faible pour une même surface, mais la quantité de chaleur échangeable est beaucoup plus élevée. En outre la température de sortie du fluide initialement « chaud » est proche et légèrement supérieure à la température d'entrée du fluide « froid », et la température de sortie du fluide initialement « froid » est proche et légèrement inférieure à la température d'entrée du fluide « chaud ». A performances égales, les échangeurs à plaques sont plus compacts et meilleurs marchés que les autres types d'échangeurs à contre courant. Typiquement avec un échangeur à plaques, on peut obtenir des écarts de l'ordre de 3°C sur chacun des couples entrée/sortie. Pour le même débit en augmentant la surface des plaques et/ou le nombre des plaques l'écart peut descendre à 2°C ou plus bas, la limite de l'écart est due à la perte de pression, dite perte de charge qui est proportionnelle aux nombre des plaques. Parmi les échangeurs à plaques industrialisés beaucoup peuvent travailler dans des intervalles de température compris entre 200°C et -200°C sous des pressions jusqu'à 30 bars. Depuis les travaux préliminaires au protocole de Kyoto, la plupart des Etats ont pris conscience de l'intérêt à limiter les émissions de CO2 et à ne pas utiliser des fluides à effets de serre. Comme toutes les machines thermiques, les moteurs cryogéniques sont soumis au deuxième principe de la thermodynamique. Des solutions envisagées dans les machines thermiques conventionnelles pour diminuer les pertes énergétiques peuvent être appliquées aux machines cryogéniques. Au vu de cet art antérieur, la présente invention propose une machine thermique 20 cryogénique qui comporte une pompe à chaleur et une machine à vapeur à fluide cryogénique reliées au travers d'un échangeur de chaleur constitué par un élément de chambre très haute pression de la machine à vapeur renfermant un élément de chambre haute pression de la pompe à chaleur. L'invention prévoit d'injecter le frigorigène liquide dans la chambre haute pression 25 et de dissiper dans cette chambre la chaleur prélevée pour assurer la liquéfaction du frigorigène gazeux dans la chambre basse pression, afin d'élargir la liste des frigorigènes utilisables. Préférablement, la pompe à chaleur comporte un évaporateur constituant ladite chambre très basse pression, un condenseur constituant ladite chambre haute 30 pression, un surpresseur calorifugé et un dispositif régulateur de pression. Avantageusement, la machine à vapeur comporte un condenseur calorifugé constituant ladite chambre basse pression, un évaporateur calorifugé et un surchauffeur conjointement formant ladite chambre très haute pression, un régulateur de pression ajustable, un détendeur à vis ou plusieurs détendeurs à vis reliés en série et un injecteur de fluide cryogénique liquide entre la chambre basse pression et la chambre très haute pression. La machine de l'invention comporte avantageusement plusieurs détendeurs à vis et une liaison mécanique entre au moins une des vis de chaque détendeur à vis et un arbre de transmission mécanique. Selon un mode de réalisation particulier, la machine comprend un deuxième échangeur de chaleur constituant un élément de la chambre basse pression de la machine à vapeur et un élément de la chambre très basse pression de la pompe à 10 chaleur. Avantageusement les pressions de travail dans les différentes chambres sont choisies de telle sorte que pour le couple « condenseur de la machine à vapeur - évaporateur de la pompe à chaleur » la température de liquéfaction du frigorigène de la machine à vapeur est supérieure à la température d'ébullition du frigorigène 15 de la pompe à chaleur, et qu'en sortant de l'échangeur à contre courant, le frigorigène liquide de la pompe à chaleur soit à la température la plus basse possible. Selon un mode de réalisation particulier, la machine comporte un ventilateur présent dans la chambre basse pression et adapté à brasser le fluide cryogénique 20 gazeux contre le détendeur de la pompe à chaleur. Avantageusement le surchauffeur de la machine à vapeur est calorifugé et comporte un échangeur de chaleur régulé pour contrôler l'afflux des calories provenant de la source chaude. La machine thermique cryogénique de l'invention est avantageusement telle que 25 son cycle thermodynamique comporte les six phases suivantes : - Injection du fluide cryogénique liquide à haute pression ; - Vaporisation du fluide cryogénique liquide par la pompe à chaleur ; - Surchauffe du gaz à la pression d'utilisation ; - Détente produisant un travail et un abaissement de température ; 30 - Echappement en cycle fermé dans la chambre basse pression ; - Liquéfaction du gaz par la pompe à chaleur. Selon un mode de réalisation particulier, l'énergie pour injecter le fluide cryogénique liquide dans la chambre haute pression de la pompe à chaleur est prélevée dans la vapeur de la chambre très haute pression de la machine à vapeur et fournie à un injecteur de type injecteur Giffard ou pompe hydropneumatique. Selon une variante de l'invention, un fluide cryogénique gazeux à très haute pression est introduit à l'entrée des détendeurs à vis simultanément à un lubrifiant à la même pression que le fluide cryogénique gazeux à très haute pression. Avantageusement le lubrifiant est recyclé vers son lieu de stockage avant la liquéfaction du fluide cryogénique gazeux. La machine de l'invention comporte avantageusement un système de démarrage muni d'un dispositif de mise en basse température de zones calorifugées de la machine, une pompe à gaz de transfert du ou des fluides cryogéniques gazeux de la chambre basse pression à la chambre très haute pression jusqu'à atteindre une pression de service stabilisée, et éventuellement un démarreur électrique. La machine de l'invention est préférablement constituée d'éléments adaptés à la maintenance, à la sécurité et au respect de la législation sur les fluides frigorigènes et notamment : - des valves spéciales pour la mise sous vide des chambres du moteur et l'introduction des fluides cryogénique ; - un dimensionnement suffisant de la chambre basse pression de la machine à vapeur et valve de sécurité entre la chambre très haute pression et la chambre basse pression de la machine à vapeur pour que le fluide cryogénique puisse s'équilibrer sans risque de fuites en cas d'arrêt de la machine ; - une chambre très basse pression de la pompe à chaleur de volume suffisant pour que le fluide cryogénique puisse s'équilibrer sans risque de fuites en cas d'arrêt de la machine. Pour réduire les pertes mécaniques et calorifiques par rapport à un piston, l'invention prévoit d'utiliser un détendeur à vis à lobes rotatifs. Comme le mouvement est rotatif et continu, l'énergie pour mettre en mouvement les parties inertielles est dépensée une seule fois au démarrage et non deux fois par cycle. D'autre part à l'équilibre de fonctionnement les variations de températures pour chaque zone délimitée entre les lobes sont beaucoup plus faibles. C'est la variation entre deux zones contiguës, c'est-à-dire la variation totale divisée par le nombre des zones délimitées entre haute et basse température. Il y a donc moins de pertes calorifiques que dans un détendeur à piston. Un autre avantage énergétique est qu'il n'y a pas de clapets commandés par des cames. L'admission du gaz frigorigène dans le détendeur à vis se fait par l'intermédiaire d'un régulateur de pression à commande manuelle ou à commande digitale qui est placé entre la chambre haute pression de la machine à vapeur et l'entrée du détendeur à vis. Le réglage de ce régulateur permet d'augmenter, de diminuer ou de bloquer la puissance délivrée par le moteur à injection liquide. En ce qui concerne les fuites de gaz frigorigène vers l'extérieur, elles se limitent à l'espace entre l'arbre de transmission mécanique et son enveloppe. Ces fuites deviennent improbables si la pression de la chambre basse pression est choisie voisine de la pression atmosphérique. Il est possible d'y ajouter le système d'étanchéité par paliers qui est utilisé dans les compresseurs à vis pour les gaz, du côté haute pression. II y a une deuxième manière d'envisager les pertes produites par une fuite de gaz frigorigène qui est purement énergétique. C'est la perte de charge par diffusion entre deux compartiments séparés par les lobes rotatifs. Il y a deux façons d'y remédier : - En diminuant le pas des vis pour que la différence de pression entre deux compartiments séparés par les lobes rotatifs soit plus faible. - Ou en ajoutant un lubrifiant liquide au gaz. Par capillarité le lubrifiant va renforcer l'étanchéité des compartiments entre eux. Dans le cas où la première solution ne donne pas satisfaction, il est possible de réaliser la seconde de la manière suivante. Le lubrifiant éventuellement débarrassé des traces de frigorigène est stocké à la pression de la chambre haute pression. Un réservoir de carburateur admet le lubrifiant dans un venturi où passe le frigorigène gazeux entre la chambre haute pression et le détendeur à vis. Il y a pulvérisation de lubrifiant à l'entrée du détendeur à vis. Enfin les zones à basse température sont calorifugées pour diminuer le 30 réchauffement à la température ambiante qui est une des causes de pertes particulières aux moteurs cryogéniques. La machine de la présente invention est donc constituée d'une machine à vapeur à cycle de Rankine, d'une pompe à chaleur et d'enceintes calorifugées. La machine à vapeur transforme l'énergie calorique d'un frigorigène gazeux en énergie mécanique grâce à un détendeur à vis. Dans la chambre basse pression de cette machine l'échangeur de chaleur de la pompe à chaleur absorbe les calories du gaz refroidi par la détente afin de le liquéfier. Un injecteur de Giffard ou une pompe hydropneumatique, commandés par le niveau du frigorigène liquide et actionnés par le frigorigène gazeux sous haute pression, injecte le frigorigène liquide dans l'échangeur de chaleur à contre courant pour que ce frigorigène liquide soit réchauffé par la pompe à chaleur. Poussé par les injections successives de liquide, le frigorigène vaporisé est surchauffé par un circuit contenant un fluide à température ambiante jusqu'à ce que le frigorigène soit à la pression de travail pour le cycle suivant. La pompe à chaleur comprend un détendeur constitué nous l'avons vu par un échangeur de chaleur situé dans la chambre basse pression de la machine à vapeur, un ventilateur présent dans la chambre basse pression de ladite machine fait circuler le frigorigène gazeux sur le détendeur jusqu'à sa liquéfaction. Un surpresseur à lobes rotatifs crée une dépression dans le détendeur et propulse le frigorigène gazeux de la pompe à chaleur dans le condenseur qui est l'autre circuit de l'échangeur de chaleur à contre courant commun avec la machine à vapeur. Une valve, un étranglement ralentissant le débit de liquide, ou un régulateur de pression règlent la différence de pression maximale entre le détendeur et le condenseur. Par exemple on peut choisir une différence de 0,5 bar. Le frigorigène liquéfié de la pompe à chaleur retourne dans le détendeur pour recommencer le cycle de la pompe à chaleur. Pour distinguer la haute pression très relative de la pompe à chaleur de la pression plus haute de la chambre haute pression de la machine à vapeur, on appellera plus volontiers cette chambre : « chambre à très haute pression », même si cette haute pression n'est que relative. La présente machine possède quelques caractéristiques communes avec le Moteur Cryogénique de Guy Nègre et notamment : - À la sortie du détendeur à vis le gaz pénètre dans la chambre basse pression avec une température insuffisamment basse pour se liquéfier spontanément ; - Dans la chambre basse pression la pompe à chaleur retire les calories restantes jusqu'à la liquéfaction du frigorigène qui peut recommencer un nouveau cycle ; - le gaz de travail est un fluide cryogénique utilisé en cycle fermé stocké en phase liquide, travaillant en phase gazeuse et ramené au stock en phase liquide ; - Le gaz sous très haute pression est admis à l'entrée d'un détendeur à vis dont les vis sont reliées à un arbre moteur, ce qui est semblable sur la finalité. Il s'en distingue par plusieurs autres : - Le fluide à l'état liquide et à basse température est injecté dans la partie inférieure de la chambre très haute pression ; - Dans la partie inférieure de la chambre très haute pression constituée par un des deux circuits d'un échangeur de chaleur à contre courant le fluide liquide est réchauffé par la pompe à chaleur dont le fluide passe dans l'autre circuit ; - Dans la partie supérieure de la chambre très haute pression le fluide est vaporisé et surchauffé jusqu'à la pression d'utilisation par un échangeur de chaleur à courants parallèles où circule un fluide à température ambiante. La température du gaz peut rester volontairement en deçà de la température ambiante ; - La détente du gaz provoque la rotation des vis et l'énergie du gaz est transformée en travail mécanique ce qui diminue sa température. (semblable sur la finalité). Revenons maintenant sur la pompe à chaleur. Les différentes parties de la pompe à chaleur sont situées dans des enceintes calorifugées au voisinage de la température d'ébullition du frigorigène. Lorsque le surpresseur fonctionne, un flux de frigorigène gazeux circule et un équilibre s'établit. Par unité de temps, des quantités équivalentes de frigorigène se vaporisent dans le détendeur, sont pulsées par le surpresseur à l'état gazeux, se liquéfient dans l'échangeur à contre courant et reviennent sous forme liquide dans le détendeur. La quantité de frigorigène transportée dépend de l'efficacité du surpresseur sous la différence de pression choisie. L'efficacité des surpresseurs commercialisés va de 480 litres par kW pour des débits de 3 à 4 m3/minute et peut atteindre 768 litres par kW pour des débits de l'ordre de 30 à 75 m3/mn. Connaissant la différence de pression entre le détendeur et le condenseur, la densité du frigorigène gazeux et la chaleur de vaporisation, il est facile de calculer l'EER d'un frigorigène particulier. On retrouve des valeurs comprises entre 3,8 et 6,5. Les frigorigènes de la pompe à chaleur et de la machine à vapeur peuvent être identiques. S'ils sont de nature différente, le point d'ébullition à la pression atmosphérique du frigorigène de la pompe à chaleur doit être impérativement inférieur ou égal au point de liquéfaction à la pression atmosphérique du frigorigène de la machine à vapeur, afin de permettre le transfert calorifique depuis la chambre basse pression de la machine à vapeur vers la chambre très basse pression de la pompe à chaleur. Le transfert calorifique depuis la chambre haute pression de la pompe à chaleur vers l'évaporateur semble ne jamais poser de question, puisque à volume constant et à pression double, la température absolue du frigorigène va doubler. L'enjeu est en réalité différent. L'énergie de la source chaude est suffisante pour évaporer et surchauffer le frigorigène de la machine à vapeur. Ce dont l'ensemble du système à besoin c'est de faire en sorte que le frigorigène liquéfié de la pompe à chaleur soit à la température la plus basse possible avant de venir dans l'évaporateur de la pompe à chaleur, On y parvient en faisant travailler le surpresseur en dépression, car sous très basse pression la température d'évaporation du frigorigène de la pompe à chaleur est plus faible que la température de liquéfaction du frigorigéne de la pompe à chaleur détendu à une pression plus élevée Calculons les transformations d'énergies de la Machine Thermique Cryogénique. Un volume de gaz sous pression à la température d'utilisation pénètre dans le détendeur à vis à chaque tour. Pendant le même tour la détente du gaz s'effectue tout le long du détendeur et pendant ce même tour la même quantité de gaz sort à l'autre extrémité du détendeur sous un volume plus grand et une température plus basse. Voir la figure 1 qui schématise les variations de volume entre deux « pincements » correspondant au pas des vis du détendeur pour chaque fraction de tour. Comme nous travaillons à des températures basses de plus en plus proches du point de liquéfaction du frigorigène, les équations des gaz parfaits ne sont plus utilisables. Il faut tenir compte de la capacité calorifique du gaz. Cv est la capacité calorifique à volume constant et Cp la capacité calorifique à pression constante. L'énergie calorifique transférable venant du gaz est donc au départ : Hgaz = n .R.Ti + n . Cv . Ti = (R + Cv) . n . Ti Plus simplement en notant que Cp = Cv + R : Hgaz = Cp . n . Ti Cette capacité calorifique varie elle-même avec la température de manière calculable généralement présentée sous la forme : Cp=a+b.T+c.T2+... Si un lubrifiant est présent dans une certaine proportion, cela retire autant de proportion de gaz. La force vive perdue l'emporte sur le gain que peut donner l'enthalpie du lubrifiant au gaz. On tiendra compte du volume encore accessible par le gaz quand du lubrifiant sera présent. Comme il y a tout le long du détendeur des variations de volume qui induisent des variations de pression qui induisent des variations de température une formule 15 statique ne convient pas. Il faut intégrer les conséquences de variations infinitésimales. À chaque variation infinitésimale du volume correspond une énergie mécanique transférée : dE = dV . P 20 Cette énergie est soustraite de l'énergie présente à l'instant précédent : H(t+dt) = H(t) - (dV . P) La nouvelle température est calculée à partir du nouveau volume S'il y a un lubrifiant, la température est corrigée au prorata des capacités calorifiques du liquide et du gaz et des quantités en présence. 25 Enfin la nouvelle pression est calculée en fonction du nouveau volume et de la nouvelle température. L'intégration s'arrête, ou doit être discutée, lorsqu'une des conditions qui limitent la transformation énergétique apparaît. Ces conditions sont les suivantes : - toute l'énergie disponible a déjà été transformée en énergie mécanique ; 30 - la température du lubrifiant s'approche de la température de congélation du lubrifiant ; - la détente du gaz atteint la limite du détendeur à vis, ou des détendeurs à vis placés en série ; 3003 89 7 12 - La pression du gaz dans la chambre basse pression devient voisine de la pression du gaz dans le détendeur de la pompe à chaleur. Le transfert de chaleur ne pouvant se faire que si la pression dans le détendeur est plus basse dans le cas où le frigorigène utilisé est de même nature chimique ; 5 - la température du gaz s'approche de la température de liquéfaction du gaz pour la pression obtenue ; En ce qui concerne ces deux derniers points, il est possible de les connaître en regardant le graphique de Mollier du frigorigène utilisé. Malheureusement les graphiques de Mollier ne sont pas disponibles pour tous les frigorigènes ou bien il 10 manque parfois la partie basse de la courbe si elle n'intéresse pas vraiment les frigoristes. Plus avantageusement nous pouvons l'estimer à l'aide de la règle de Trouton-HildeBrand: dSHild/R = dSébul / R-In(Tébul/373) Le nombre obtenu est généralement voisin de 10,5 mais il peut varier de 7,4 à 13,2. L'intérêt de cette règle est de connaître ce coefficient à partir de la température d'ébullition et de la chaleur de vaporisation. Références : - Wikipédia : Règle de Trouton. - Trouton a montré le premier que l'entropie d'ébullition de la plupart des liquides était de l'ordre de (10 ;5 +/- 0,5).R où R est la constante des gaz parfaits - F. Trouton, Philosophical Magazine, 1884, 18, p.54. - Hildebrand a effectué une correction avec les températures d'ébullition qui fait que la règle de Trouton-Hildebrand est vérifiée dans tout le domaine des températures d'ébullition - J. Hildebrand, J. Am. Chem. Soc., 1915, 37, p.970, 1918, 40, p. 45. - J. Hildebrand et R.L. Scott, The Solubility of Nonelectrolytes, Dover publications, 3ème éd., 1964, p. 79. La transposition suivante de cette règle : Pébul = exp (dSHild/R*(Tdét-Tébul à 1 bar)/Tdét)) donne la pression d'ébullition pour une température donnée avec généralement une assez bonne précision. Il est possible avec un tableur de reconstituer la partie gauche des graphes de Mollier et de vérifier la valeur du calcul sur les portions 3003 89 7 13 des graphes disponibles. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation non limitatifs de l'invention en référence aux dessins qui représentent : 5 en figure 1: un schéma simplifié de fonctionnement d'un détendeur à vis. Ce schéma sert de support dans la méthode de calcul des effets d'un détendeur à vis; en figure 2: un schéma simplifié d'un dispositif selon l'invention ; en figure 3: un schéma d'un exemple de réalisation de l'invention fonctionnant sans lubrifiant. Les numéros de référence de la forme 3xx signalent des 10 modifications par rapport à la figure 2; en figure 4: un schéma d'une variante de l'invention fonctionnant avec un lubrifiant. Les numéros de référence de la forme 4xx signalent des modifications par rapport aux figures 2 et 3. Selon la machine thermique de la figure 2, dans la partie inférieure calorifugée 232 15 d'une chambre haute pression, l'échangeur de chaleur à contre courant 235 d'une pompe à chaleur réchauffe un frigorigène liquéfié. L'air ambiant, pulsé par une pompe 251 à l'intérieur d'un radiateur 252, vaporise et surchauffe le frigorigène. Un régulateur de pression 204 transfère le frigorigène à l'entrée d'un détendeur à vis 210 relié à un arbre de transmission mécanique 219. 20 Le frigorigène détendu s'échappe dans une chambre basse pression calorifugée 220 où la partie aérienne de la pompe à chaleur 230 liquéfie le frigorigène. Lorsque le niveau de liquide est correct 224, un flotteur 221 déclenche le fonctionnement d'une pompe 225 qui injecte le frigorigène liquide dans l'échangeur de chaleur 235 pour refroidir le fluide de la pompe à chaleur et boucler 25 le cycle. La machine thermique de la figure 3 est constituée d'une chambre très haute pression 301 contenant dans sa partie supérieure un fluide frigorigène à l'état gazeux 302. Un régulateur de pression 204 commandé par un dispositif manuel ou par une commande numérique fait passer le gaz frigorigène dans un détendeur 30 à vis 311. A la sortie du détendeur à vis 311 le gaz partiellement détendu passe dans un détendeur 312. Une vis du détendeur 311 et une vis du détendeur 312 sont reliées mécaniquement à un arbre de transmission 319 pouvant être la source d'un mouvement mécanique directement utilisé par une hélice, une roue motrice ou par un système de transformation telles qu'une boîte de vitesse, un générateur électrique, des pompes diverses. La sortie 318 du détendeur à vis 312 s'ouvre dans une chambre basse pression calorifugée 220. Au fond de la chambre basse pression un contact 321 mu par un flotteur ouvre une vanne 327 lorsque le niveau 224 du frigorigène liquéfié dépasse une valeur plafond. Cette vanne 327 retient le gaz frigorigène sous pression venant par un tuyau 360 de la partie haute de la chambre très haute pression. Cette ouverture déclenche le fonctionnement d'un injecteur Giffard 225 pour introduire à travers un clapet anti-retour 326 le frigorigène dans la partie inférieure de la chambre très haute pression qui est placée dans une enceinte calorifugée 232.Le tuyau 323 qui relie la vanne 327 et l'injecteur Giffard 225 est calorifugé pour empêcher que le gaz frigorigène sous pression ne se condense au fond du tuyau 360. Une pompe hydro-pneumatique mue par le gaz frigorigène sous pression peut remplacer l'injecteur Giffard. Une pompe à chaleur est imbriquée dans les deux chambres de la machine à vapeur. Dans la chambre basse pression de la machine à vapeur résident un ventilateur 337 et un radiateur 331 qui constitue la chambre très basse pression de la pompe à chaleur. Dans l'enceinte calorifugée 232 une paroi calorifugée supplémentaire 338 isole le surpresseur à gaz 334 et la partie la plus haute de l'échangeur de chaleur à contre courant de toutes les autres parties qui y résident et travaillent à plus basse température : - le couple entrée/sortie inférieur de l'échangeur de chaleur 235 - une chambre 333 dimensionnée pour accepter tout le frigorigène à l'état gazeux en cas d'arrêt prolongé du moteur, - une valve 336 qui s'ouvre lorsque la pression du liquide à la sortie de l'échangeur de chaleur 235 atteint une valeur de consigne, ou bien une constriction ou un régulateur de pression en 336 qui limitent le débit de liquide de telle manière qu'il y ait une différence de pression. Tout ou partie de cette différence de pression peut résulter de la perte de charge liée au nombre des plaques de l'échangeur de chaleur 235. - Les tuyaux qui réunissent le radiateur 331, la chambre très basse pression 333 et le surpresseur à gaz 334. Un autre tuyau calorifugé réunit le dispositif de régulation de la pression 336 au radiateur 331. La chambre haute pression de la pompe à chaleur est située entre le surpresseur à gaz 334 et la valve ou la striction 336 et elle comprend un des deux circuits de l'échangeur de chaleur à contre courant 235. L'autre circuit de l'échangeur de chaleur va de la valve anti-retour 326 à la sortie 340 d'où s'échappe le frigorigène de la machine à vapeur sous forme gazeuse et un peu de frigorigène liquide si le frigorigène n'a pas pu être totalement vaporisé. Ces fluides sont amenés dans la partie supérieure de la chambre très haute pression par un tuyau. A l'intérieur de la partie supérieure de la chambre très haute pression un radiateur 252 va vaporiser le frigorigène liquide restant et surchauffer le gaz obtenu à la température ambiante extérieure. Un fluide ambiant 350 est pulsé par une pompe 351 à l'intérieur du radiateur 252, et le fluide refroidi est rejeté dans le milieu ambiant en 359. La pompe à chaleur refroidit le frigorigène de la machine à vapeur dans la chambre 220 pour achever la liquéfaction de ce frigorigène et le réchauffe dans l'échangeur de chaleur 235 pour dissiper les calories qu'elle a acquise de manière à être de nouveau en état de continuer sa mission au cycle suivant. .... . Pour démarrer le système, les enceintes calorifugées 232 et 220 sont amenées à basse température, et une pompe non représentée transfère le gaz frigorigène contenu dans la chambre basse pression 220 vers la chambre très haute pression 301 et éventuellement un démarreur électrique donne une impulsion sur l'arbre de transmission pour mettre en mouvement le ou les détendeurs à vis. Le mode de réalisation de la figure 3 convient si les fuites entre les différents paliers des détendeurs à vis sont négligeables. Voyons maintenant le cas ou un lubrifiant est absolument nécessaire. Dans le mode de réalisation de la figure 4, la chambre très haute pression 401 de la machine à vapeur possède une alvéole 403 pour stocker le lubrifiant. Une valve 405 commandée par le remplissage d'un réservoir à la manière d'un carburateur libère le lubrifiant dans un venturi 406. Le jet de gaz frigorigène très haute pression libéré par le régulateur de pression 204 nébulise le lubrifiant. Le mélange gaz frigorigène et lubrifiant pénètre dans un premier détendeur à vis 311 ou le frigorigène se détend en communiquant de l'énergie mécanique à l'arbre de transmission 319. Le mélange gaz frigorigène et lubrifiant pénètre ensuite dans le second détendeur à vis 312 pour continuer la détente du gaz frigorigène et transmettre de l'énergie mécanique à l'arbre de transmission 319. Dans le cas ou la température de liquéfaction du frigorigène est plus basse que la température de fusion du lubrifiant comme par exemple avec l'isopentane pour le diazote, on arrête la détente lorsque la température du lubrifiant est encore légèrement supérieure à la température de fusion du lubrifiant. Le mélange gaz frigorigène lubrifiant passe dans un tube en U 444 calorifugé dans une enceinte 420. Le lubrifiant s'égoutte sur des grilles et s'accumule au fond du tube en U et le niveau du liquide 442 monte. Un contact 441 relié à un flotteur pilote le fonctionnement d'une pompe 445. Lorsque le niveau 442 est suffisant, la pompe 445 est mise en marche. Le lubrifiant est injecté à travers un clapet anti-retour 446 dans le réservoir de lubrifiant 403. La pompe 445 peut être remplacée par une pompe hydropneumatique. Le frigorigène gazeux s'échappe de la deuxième branche du tube en U, 444 et pénètre dans la zone supérieure la chambre basse pression où il y a un second tube en forme de U 449. Grâce à la pompe à chaleur la température de la chambre basse pression est beaucoup plus basse que la sortie du gaz détendu. Le second tube en U est également à cette température très basse ce qui congèle sur les grilles les rares gouttes de lubrifiant qui ont pu s'échapper du premier tube en U. Ce dispositif joue donc le rôle de piège à lubrifiant. Le frigorigène gazeux poursuit sa route dans la partie médiane de la chambre basse pression pour être liquéfié au contact du condenseur 331 de la pompe à chaleur. Il n'y a pas de différence avec le mode de réalisation de la figure 3 jusqu'au retour du mélange frigorigène liquide, frigorigène gazeux dans la partie médiane de la chambre très haute pression 401. Il est intéressant de contrôler la pression et la température à l'intérieur de la chambre très haute pression 401. Un trop faible débit d'air ou de fluide caloriporteur dans le radiateur induira une baisse de pression et une diminution de la puissance disponible. Inversement en cas de canicule, ou si le fluide ambiant est réchauffé, la température et la pression vont monter. Si le lubrifiant est volatil, il pourrait se vaporiser et perturber le fonctionnement des détendeurs à vis. Pour cette raison la chambre très haute pression 401 est calorifugée et le pressostat 457 va réguler la pression et la température en commandant la pompe 351 de circulation de l'air ou du fluide caloriporteur ambiant. La source chaude peut être n'importe quel environnement naturel, ou n'importe quelle source de chauffage privée ou industrielle dont la température est supérieure à la température d'ébullition du fluide cryogénique utilisé. La source chaude peut également être constituée par des faisceaux de lumière ou de rayonnements électromagnétiques concentrés par des réflecteurs. La source froide est crée artificiellement au démarrage par pompage des calories grâce à une pompe à chaleur, ou à l'aide d'un fluide réfrigérant comme de l'azote liquide par exemple. Cette source froide est ensuite entretenue grâce à la pompe à chaleur en utilisant une partie de l'énergie fournie par la machine. Comme la pompe à chaleur est capable de pomper plus de calories qu'elle ne consomme d'énergie pour fonctionner, l'enthalpie perdue à liquéfier le frigorigène sera divisée par le coefficient d'efficacité énergétique (EER) de la pompe à chaleur. La somme de toutes les pertes énergétiques y compris l'énergie d'entretien de la pompe à chaleur doit être inférieure à l'énergie fournie par la machine thermique cryogénique pour que la dite machine fonctionne après la période de démarrage. Si l'enthalpie de liquéfaction du frigorigène est suffisamment faible, alors il est possible que le bilan énergétique soit favorable à la Machine Thermique Cryogénique. Le Bilan énergétique = la puissance disponible - la consommation de la pompe à 20 chaleur qui se résume à la consommation du surpresseur 334 - la consommation pour l'injection du frigorigène liquide - la consommation éventuelle pour l'injection du lubrifiant - la consommation pour les ventilations externes et internes. Si le bilan est positif, la machine fournit de l'énergie tant que la source de chaleur lui fournit des calories. 25 Si le bilan est négatif, la machine s'arrête très rapidement après l'arrêt du système de démarrage, même si des calories sont disponibles dans la source chaude. Nous sommes capables maintenant de simuler les comportements de frigorigènes dans une machine thermique selon l'invention, de les comparer entre eux, si les conditions peuvent être semblables, ou d'en discuter les avantages et les 30 inconvénients. Le lubrifiant proposé ici est l'iso pentane, parce qu'il est liquide sur une large échelle : +28°C à -160°C. Pour le di-azote ce lubrhiant ne couvre pas l'échelle - 160 à -196°C. Il couvre largement l'utilisation du tétrafluorocarbone (R14), mais 3003 89 7 18 ne lui est pas miscible. Pour ces deux raisons, si la présence d'un lubrifiant s'avère incontournable, il faut modifier la Machine Thermique Cryogénique pour prévoir une distribution du lubrifiant et un piège à lubrifiant. Egalement pour fixer les idées, nous supposons ici que le premier détendeur à vis de la série des 5 détendeurs à vis nécessaires serait capable en mode reverse de comprimer 1700 litres d'air par minute. Enfin la température ambiante est de 28°C et la pression de départ est de 30 bars. Frigorigène Diazote R14 R23 Formule chimique N2 CF4 CHF3 Température d'ébullition -195,9 °C -127,8 °C -88,2°C Isopentane VI/Vg 0,5 % 0,5% 0,5% Détente 13,0 17,9 17,1 Puissance disponible 19,96 kW 25,94 kW 25,05 kW Liquéfaction sans pompe à chaleur (-35,2 kW) (-92,0 kW) (-145,9 kW) EER 3,81 4,2 4,9 Consommation de la pompe à chaleur -9,23 kW -22,1 kW -29,7 kW Consommation pour les Injections -0,5 kW -1,53 kW -1,5 kW Consommation pour les Ventilations -0,2 kW -0,26 kW -0,258 kW Bilan énergétique 10,0 kW 2,06 kW -6,46 kW Frigorigène Diazote R14 R23 10 Le R14 est le tétrafluorométhane (CF4), le R23 est le trifluorométhane (CHF3).Nous voyons que le diazote et le R14 peuvent être sélectionnés comme frigorigènes pour la machine thermique de l'invention. Par contre le R23 qui ne diffère du R14 que par un atome ne peut être sélectionné. Comme la machine est constituée de deux systèmes réfrigérants, tous les 15 éléments requis par les hommes de l'art et par la législation devront être présents. Sans être exhaustive la liste de ces éléments doit prévoir : - des valves pour faire le vide et remplir de frigorigène la machine à vapeur et la pompe à chaleur ; - des chambres basse pression, ou des réservoirs de maintenance suffisamment grands pour accepter tout le frigorigène sous pression en cas de canicule ; - des valves de sécurité ; Pour démarrer le système il est aussi nécessaire de disposer d'une mise à basse température des chambres, d'une pompe pour transférer le frigorigène de la chambre basse pression de la machine à vapeur vers la chambre très haute pression de la machine à vapeur et éventuellement d'un démarreur électrique comme sur les moteurs thermiques conventionnels. Un Moteur Cryogénique à injection (MCAI) basé sur la machine thermique cryogénique de la présente invention peut servir en utilisant directement la force mécanique pour propulser des véhicules marins, aquatiques, sous-marins, subaquatiques, terrestres ou souterrains en refroidissant le milieu de propulsion. Couplé à un générateur électrique le MCAI fournit de l'électricité dans des situations où l'apport de carburant est difficile ou coûteux, à partir de sources naturelles de chaleur telles que l'atmosphère ambiante, le soleil, la géothermie, les puits dits provençaux ou canadiens, l'eau des océans, des mers, des fleuves, des rivières ou des lacs, les geysers. Le MCAI permet de transformer en électricité ou en énergie mécanique la chaleur dissipée dans toutes les machines servant à comprimer des gaz pour des machines pneumatiques ou des machines à liquéfier des gaz. En milieu industriel le MCAI permet de piéger des aérosols ou des vapeurs polluantes en fournissant de l'énergie mécanique ou électrique. Le MCAI peut servir à refroidir des engins ou des locaux en fournissant de l'énergie mécanique ou électrique, cela concerne la climatisation, la réfrigération, la congélation, les patinoires à glace. Le MCAI couplé avec une pompe à chaleur peut servir à chauffer des habitats. Le MCAI est particulièrement utile en cas de canicule ou d'environnement hostile comme par exemple les zones désertiques ou les mines profondes. REVENDICATIONS1 - Machine thermique cryogénique caractérisée en ce qu'elle comporte une pompe à chaleur et une machine à vapeur à fluide cryogénique reliées au travers d'un premier échangeur de chaleur (235) constitué par un élément de chambre très haute pression (235, 340, 301) de la machine à vapeur, ledit premier échangeur renfermant un élément de chambre haute pression de la pompe à chaleur. 2 - Machine thermique cryogénique selon la revendication 1 pour laquelle la pompe à chaleur comporte un évaporateur (331) constituant une chambre très basse pression, un condenseur constituant ladite chambre haute pression, un surpresseur calorifugé (334) et un dispositif régulateur de pression (336). 3 - Machine thermique cryogénique selon la revendication 1 et 2 pour laquelle la machine à vapeur comporte un condenseur calorifugé constituant une chambre basse pression (220) de la machine à vapeur, un évaporateur calorifugé (235) et un surchauffeur (301) conjointement formant ladite chambre très haute pression, un régulateur de pression ajustable (204), un détendeur à vis ou plusieurs détendeurs à vis reliés en série (311, 312) et un injecteur (225) de fluide cryogénique liquide entre la chambre basse pression (220) et la chambre très haute pression (235, 340, 301). 4 - Machine thermique cryogénique selon la revendication 1, 2 ou 3 comportant plusieurs détendeurs à vis (311, 312) et une liaison mécanique entre au moins une des vis de chaque détendeur à vis et un arbre de transmission mécanique (319). 5 - Machine thermique cryogénique selon la revendication 3 pour laquelle l'évaporateur (331) de la pompe à chaleur constitue un second échangeur de chaleur entre la chambre basse pression (220) de la machine à vapeur et la chambre très basse pression de la pompe à chaleur. 6 - Machine thermique cryogénique selon la revendication 3 ou 5 pour laquelle les pressions de travail dans les différentes chambres sont choisies de telle sorte que pour le couple « condenseur de la machine à vapeur (220) -évaporateur de la pompe à chaleur (331)» la température de liquéfaction du frigorigène de la machine à vapeur est supérieure à la température d'ébullition du frigorigène de la pompe à chaleur, et qu'en sortant du premier échangeur de chaleur (235) de type à contre courant, le frigorigène liquide de la pompe à chaleur soit à la température la plus basse possible. 7 - Machine thermique cryogénique selon l'une quelconque des revendications 3, 5 ou 6 comportant un ventilateur (337) présent dans la chambre basse pression (220) et adapté à brasser le fluide cryogénique gazeux contre l'évaporateur (331) de la pompe à chaleur. 8 - Machine thermique cryogénique selon l'une quelconque des revendications 3, 5, 6 ou 7 dont le surchauffeur (301de la machine à vapeur est calorifugé et comporte un échangeur de chaleur régulé (457, 351) pour contrôler l'afflux des calories provenant d'une source chaude (350) alimentant un radiateur (252) surchauffeur de la chambre très haute pression. 9 - Machine thermique cryogénique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que son cycle thermodynamique comporte les six phases suivantes : - Injection du fluide cryogénique liquide à haute pression ; - Vaporisation du fluide cryogénique liquide par la pompe à chaleur ; - Surchauffe du gaz à la pression d'utilisation ; - Détente produisant un travail et un abaissement de température ; - Echappement en cycle fermé dans la chambre basse pression ; - Liquéfaction du gaz par la pompe à chaleur. 10 - Machine thermique selon la revendication 3 pour laquelle un injecteur de Giffard ou une pompe hydropneumatique (225) sont commandés par le niveau du frigorigène liquide (224) dans la chambre basse pression (220) de la machine thermique où l'échangeur de chaleur (331) de la pompe à chaleur absorbe les calories du gaz refroidi par sa détente afin de le liquéfier et sont actionnés par le frigorigène gazeux sous haute pression (323) issu de la chambre très haute pression (301), injecte le frigorigène liquide (224) dans un l'échangeur de chaleur(235) pour que ce frigorigène liquide soit réchauffé par la pompe à chaleur. 11 - Machine thermique cryogénique selon la revendication 9 pour laquelle un fluide cryogénique gazeux à très haute pression est introduit à l'entrée des détendeurs à vis (311, 312) simultanément à un lubrifiant (403) à la même pression que le fluide cryogénique gazeux à très haute pression. 12 - Machine thermique cryogénique selon la revendication 11 pour laquelle le lubrifiant est recyclé (444, 446) vers son lieu de stockage avant la liquéfaction du fluide cryogénique gazeux. 13 - Machine thermique cryogénique selon l'une quelconque des revendications précédentes pour laquelle la machine à vapeur comporte une chambre basse pression (220) et une chambre très haute pression (235, 340, 301) caractérisée en ce qu'elle comporte un système de démarrage muni d'un dispositif de mise en basse température de zones calorifugées (220, 232, 301, 338, 401) de la machine, une pompe à gaz de transfert du ou des fluides cryogéniques gazeux de la chambre basse pression (220) à la chambre très haute pression (235, 340, 301, 401) jusqu'à atteindre une pression de service stabilisée, et éventuellement un démarreur électrique. 14 - Machine thermique cryogénique selon la revendication 3 caractérisée en ce qu'elle est constituée d'éléments adaptés à la maintenance, à la sécurité et au respect de la législation sur les fluides frigorigènes et: - comprend des valves spéciales pour la mise sous vide des chambres de la machine et l'introduction des fluides cryogénique ; - comprend un dimensionnement suffisant de la chambre basse pression de la machine à vapeur et valve de sécurité entre la chambre très haute pression (235, 340, 301, 401) et la chambre basse pression (220) de la machine à vapeur pour que le fluide cryogénique puisse s'équilibrer sans risque de fuites en cas d'arrêt de la machine; - comprend une chambre très basse pression (333) de la pompe à chaleur de volume suffisant pour que le fluide cryogénique puisse s'équilibrer sans risque de fuites en cas d'arrêt de la machine.