FR 2929381 A1 20091002 FR 0801786 A 20080401 B0956FR La présente invention concerne une installation pour la production de froid, de chaleur et/ou de travail. ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE Les machines thermodynamiques utilisées pour la production de froid, de chaleur ou d'énergie font toutes référence à une machine idéale désignée par "machine de Carnot". Une machine de Carnot idéale requiert une source de chaleur et un puits de chaleur à deux niveaux différents de température. I1 s'agit donc d'une machine "ditherme". Elle est dite machine de Carnot motrice lorsqu'elle fonctionne en fournissant du travail, et machine de Carnot réceptrice (aussi appelée pompe à chaleur de Carnot) lorsqu'elle fonctionne en consommant du travail. En mode moteur, la chaleur Qh est fournie à un fluide de travail GT à partir d'une source chaude à la température Th, la chaleur Qb est cédée par le fluide de travail GT à un puits froid à la température Tb et le travail net W est délivré par la machine. À l'inverse, en mode pompe à chaleur, la chaleur Qb est prélevée par le fluide de travail GT à la source froide Tb, la chaleur Qh est cédée par le fluide de travail au puits chaud à la température Th et le travail net W est consommé par la machine. D'après le 2È'me principe de la thermodynamique, l'efficacité d'une machine ditherme (motrice ou réceptrice), c'est-à-dire une machine réelle fonctionnant ou non selon le cycle de Carnot, est au plus égale à celle de la machine de Carnot idéale et ne dépend que des températures de la source et du puits. Toutefois la réalisation pratique du cycle de Carnot, constitué de deux étapes isothermes (aux températures Th et Tb) et deux étapes adiabatiques réversibles se heurte à plusieurs difficultés qui n'ont pas été complètement résolues jusqu'à présent. Au cours du cycle, le fluide de travail peut rester toujours à l'état gazeux ou subir un changement d'état liquide/vapeur pendant les transformations isothermes à Th et Tb. Lorsqu'il se produit un changement d'état liquide/vapeur, les transferts de chaleur entre la machine et l'environnement s'effectuent avec une efficacité plus grande que lorsque le fluide de travail reste à l'état gazeux. Dans le premier cas et pour de mêmes puissances thermiques échangées au niveau de la source et du puits de chaleur, les surfaces d'échanges sont plus faibles (donc moins coûteuses). Toutefois, lorsqu'il y a un changement d'état liquide/vapeur, les étapes adiabatiques réversibles consistent à comprimer et à détendre un mélange biphasique liquide/ vapeur. Les techniques de l'art antérieur ne permettent pas d'ef.Fectuer des compressions ou des détentes de mélanges biphasiques. Selon l'art antérieur actuel, on ne sait pas réaliser correctement ces transformations. B0956FR 2929381 2 Pour remédier à ce problème, il a été envisagé de se rapprocher du cycle de Carnot en comprimant isentropiquement un liquide et en détendant isentropique-ment une vapeur surchauffée (pour un cycle moteur) et en comprimant la vapeur surchauffée et en détendant isenthalpiquement le liquide (pour un cycle récepteur). 5 Toutefois, de telles modifications induisent des irréversibilités dans le cycle et diminuent de façon très significative son efficacité, c'est-à-dire le rendement du moteur ou le coefficient de performance ou d'amplification de la pompe à chaleur. DEFINITION GENERALE DE L'INVENTION Le but de la présente invention est de fournir une machine thermodynamique fonctionnant selon un cycle proche du cycle de Carnot, améliorée par rapport aux t o machines de l'art antérieur, c'est-à-dire une machine qui fonctionne avec un changement d'état liquide/vapeur du fluide de travail pour conserver l'avantage des faibles surfaces de contact requises, tout en limitant de façon substantielle les irréversibilités dans le cycle au cours des étapes adiabatiques. Un objet de la présente invention est constitué par une installation pour la 15 production de froid, de chaleur et/ou de travail, comprenant au moins une machine de Carnot modifiée. Un autre objet de l'invention est constitué par un procédé de production de froid, de chaleur et/ou de travail, à l'aide d'une installation comprenant au moins une machine de Carnot modifiée. Une installation pour la production de froid, de chaleur ou de travail, selon la 20 présente invention comprend au moins une machine de Carnot modifiée constituée par : a) Un ter ensemble qui comprend un évaporateur Evap associé à une source de chaleur, un condenseur Cond associé à un puits de chaleur, un dispositif DPD de pressurisation ou de détente d'un fluide de travail GT, des moyens de 25 transfert du fluide de travail GT entre le condenseur Cond et DPD, et entre l'évaporateur Evap et DPD ; b) Un 2ème ensemble qui comprend deux enceintes de transfert CT et CT' qui contiennent un liquide de transfert LT et le fluide de travail GT sous forme de liquide et/ou de vapeur ; 30 c) des moyens de transfert sélectif du fluide de travail GT entre le condenseur Cond et chacune des enceintes de transfert CT et CT' d'une part, entre l'évaporateur Evap et chacune de enceintes de transfert CT et CT' d'autre part ; B0956FR d) des moyens de transfert sélectif du liquide LT entre les enceintes de transfert CT et CT' et le dispositif de compression ou de détente DPD, lesdits moyens comprenant au moins un convertisseur hydraulique. Dans le présent texte : "cycle de Carnot modifié" signifie un cycle thermodynamique comprenant les étapes du cycle de Carnot théorique ou des étapes similaires avec un degré de réversibilité inférieur à 100% ; "machine de Carnot modifiée" désigne une machine qui présentent les caractéristiques a), b), c) et d) ci-dessus ; - "convertisseur hydraulique" désigne soit une pompe hydraulique, soit un moteur hydraulique : "pompe hydraulique" désigne un dispositif qui utilise de l'énergie mécanique fournie par l'environnement à la "machine de Carnot modifiée" pour pomper un fluide hydraulique de transfert LT à basse pression et le restituer à plus haute pression ; "pompe hydraulique auxiliaire" désigne un dispositif qui utilise de l'énergie mécanique fournie par l'environnement à la "machine de Carnot modifiée" ou prélevée sur le travail délivré à l'environnement par la "machine de Carnot modifiée" pour pressuriser soit le liquide de transfert LT soit le fluide de travail GT à l'état liquide ; "moteur hydraulique" désigne un dispositif qui délivre à l'environnement de l'énergie mécanique générée par la machine de Carnot modifiée en dépressurisant le liquide de transfert LT à haute pression et en le restituant à plus basse pression ; - "environnement" désigne tout élément extérieur à la machine de Carnot modifiée, incluant les sources et puits de chaleur et tout élément de l'installation auquel la machine de Carnot modifiée serait raccordée ; "transformation réversible" signifie une transformation réversible au sens strict, ainsi qu'une transformation quasi réversible. La somme des variations d'entropie du fluide qui subit la transformation et de l'environnement est nulle lors d'une transformation strictement réversible correspondant au cas idéal, et légèrement positive lors d'une transformation réelle, qui.siréversible. Le degré de réversibilité d'un cycle peut se quantifier par le rapport entre le rendement (ou le coefficient de performance COP) du cycle et celui du cycle de Carnot fonctionnant entre les mêmes températures extrêmes. Plus la réversibilité du cycle est grande, plus ce rapport est proche (par valeur inférieure) de 1. B0956FR 2929381 4 "transformation isotherme" signifie une transformation strictement isotherme ou dans des conditions proches de la nature isotherme théorique, sachant que, dans des conditions de mise en oeuvre réelles, lors d'une transformation considérée comme isotherme effectuée de manière cyclique, la température T 5 subit de légères variations, telles que AT/T de � 10%; "transformation adiabatique" signifie une transformation sans aucun échange de chaleur avec l'environnement ou avec des échanges de chaleur que l'on cherche à minimiser en isolant thermiquement le fluide qui subit la transformation et l'environnement. t o Le procédé de production de froid, de chaleur et/ou de travail selon l'invention consiste à faire subir à un fluide de travail GT une succession de cycles de Carnot modifiés dans une installation selon l'invention comprenant au moins une machine de Carnot modifiée. Un cycle de Carnot modifié comprend les transformations suivantes: 15 une transformation isotherme avec échange de chaleur entre GT et la source, respectivement le puits de chaleur ; une transformation adiabatique avec diminution de la pression du fluide de travail GT; - une transformation isotherme avec échange de chaleur entre GT et le puits, 20 respectivement la source de chaleur ; une transformation adiabatique avec augmentation de la pression du fluide de travail GT. Le procédé est caractérisé en ce que le fluide de travail est sous forme biphasique liquide-gaz pendant au moins l'une des transformations d'un cycle, et en 25 ce que les deux transformations isothermes produisent ou sont produites par un changement de volume de GT concomitant avec le déplacement d'un liquide de transfert LT qui entraîne ou est entraîné par un convertisseur hydraulique, et en conséquence, du travail est fourni ou reçu par l'installation par l'intermédiaire d'un fluide hydraulique qui traverse un convertisseur hydraulique pendant au moins les 30 deux transformations isothermes. Dans un mode de réalisation, le travail est reçu ou fourni par l'installation par l'intermédiaire d'un fluide hydraulique qui traverse un convertisseur hydraulique pendant une seule des transformations adiabatiques. Dans ce mode de réalisation, le cycle de Carnot modifié et la machine de Carnot modifiée sont dits "du le` type". 35 Dans un mode de réalisation, le travail est reçu ou fourni par l'installation Dar l'intermédiaire d'un fluide hydraulique qui traverse un convertisseur hydraulique B0956FR 2929381 5 pendant les deux transformations adiabatiques. Dans ce mode de réalisation., le cycle de Carnot modifié et la machine de Carnot modifiée sont dits "du 2eme type". DESCRIPTION DES FIGURES La figure 1 représente les courbes d'équilibre liquide/ vapeur pour divers fluides utilisables comme fluide de travail GT. La pression de vapeur saturante P (en 5 bar) est donnée en ordonnée, en échelle logarithmique, en fonction de la température T (en °C) donnée en abscisse. La figure 2 représente une vue schématique d'une machine de Carnot modifiée motrice de 2ème type. La figure 3 représente dans le diagramme de Mollier des frigoristes un cycle to de Carnot modifié moteur suivi par un fluide de travail GT. La pression P est donnée en échelle logarithmique, en fonction de l'enthalpie massique h du fluide de travail. La figure 4 représente dans un diagramme de Mollier trois cycles de Carnot modifiés moteurs du 2ème type qui ont une même température Tb du fluide de travail 15 au cours de l'échange de chaleur avec le puits froid et des températures croissantes T"h ,T'h et Th du fluide de travail au cours de l'échange de chaleur avec la source chaude . La figure 5 est une représentation schématique d'une machine de Carnot modifiée motrice de le` type. 20 La figure 6 représente dans le diagramme de Mollier un cycle de Carnot modifié moteur du 1" type suivi par un fluide de travail GT. La pression P est donnée en échelle logarithmique, en fonction de l'enthalpie massique h du fluide de travail La figure 7 représente une vue schématique d'une machine de Carnot 25 modifiée réceptrice de 2eme type. La figure 8 représente dans le diagramme de Mollier un cycle de Carnot modifié récepteur du 2ème type suivi par un fluide de travail GT. La pression P est donnée en échelle logarithmique, en fonction de l'enthalpie massique h du fluide de travail. 30 La figure 9 représente une vue schématique d'une machine de Canot modifiée réceptrice de 1 eC type. B0956FR 2929381 6 La figure 10 représente dans le diagramme de Mollier un cycle de Carnot modifié récepteur du ter type suivi par un fluide de travail GT. La pression P est donnée en échelle logarithmique, en fonction de l'enthalpie massique h du fluide de travail. 5 La figure 11 représente une vue schématique d'une machine de Carnot modifiée pouvant fonctionner selon le choix de l'utilisateur selon le mode moteur ter type ou récepteur de lei type. Les figures 12a et 12b illustrent schématiquement deux modes de réalisation de machines de Carnot modifiées motrices fonctionnant entre les mêmes lo températures extrêmes Th et Tb et en indiquant le sens des échanges de chaleur el de travail entre ces machines et l'environnement.. La figure 12a représente un mode de réalisation d'un couplage thermique à un niveau de température intermédiaire entre deux machines de Carnot modifiées motrices. La figure 12b représente un autre mode de réalisation avec une seule machine de Carnot modifiée motrice. 15 La figure 13 représente schématiquement les niveaux de température des sources et puits de chaleur et le sens des échanges de chaleur et de travail, dans une installation comprenant une machine de Carnot modifiée motrice haute température couplée mécaniquement à une machine de Carnot modifiée réceptrice basse température. 20 La figure 14 représente schématiquement les niveaux de température des sources et puits de chaleur et le sens des échanges de chaleur et de travail, dans une installation comprenant une machine de Carnot modifiée motrice basse température couplée mécaniquement à une machine de Carnot modifiée réceptrice haute température. 25 Les figures 15a à 15h représentent schématiquement les échanges de chaleur et de travail entre une machine (ou des associations de machines) de Carnot modifiée(s) et l'environnement, ainsi que les températures des sources et puits de chaleur, pour 8 exemples impliquant différents fluides de travail. Les figures 16, 17 et 18 représentent respectivement dans les diagrammes de 30 Mollier de l'eau, du n-butane et du 1,1,1,2-tétrafluoroéthane les différents cycles de Carnot modifiés qui sont impliqués dans les 8 exemples de la figure 15. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Dans une installation selon la présente invention, une machine de Carnot modifiée peut avoir une configuration de machine motrice ou de machine B0956FR 2929381 7 réceptrice. Dans les deux cas, la machine peut être du ter type (échange de travail entre le liquide de transfert et l'environnement pendant l'une des transformations adiabatiques) ou du 2ème type (échange de travail entre le liquide de transfert et l'environnement pendant les deux transformations adiabatiques). Une machine de 5 Carnot modifiée peut en outre avoir une configuration qui permet, selon le choix de l'utilisateur, un fonctionnement en mode moteur (1 er ou 2ème type) ou en mode récepteur (1 er ou 2ème type). Le procédé de gestion d'une machine motrice comprend au moins une étape au cours de laquelle on apporte de la chaleur à l'installation, en vue de récupérer du t o travail au cours d'au moins l'une des transformations du cycle de Carnot modifié. Le procédé de gestion d'une machine réceptrice comprend au moins une étape au cours de laquelle on apporte du travail à l'installation, en vue de récupérer de la chaleur au puits chaud à Th ou de prélever de la chaleur à la source froide à Tb au cours d'au moins l'une des transformations isothermes du cycle de Carnot modifié. 15 Le procédé selon la présente invention consiste à soumettre un fluide de travail GT à une succession de cycles entre une source de chaleur et un puits de chaleur. Dans la suite, par souci de simplification et parce que cela n'affecte pas le principe de fonctionnement de la machine de Carnot modifiée, on ne distingue pas la température de la source ou du puits chaud de celle du fluide de travail qui 20 échange avec cette source ou ce puits, ces températures étant désignées par Th. De même, on ne distingue pas la température de la source ou du puits froid de celle du fluide de travail qui échange avec cette source ou ce puits, ces températures étant désignées par Tb. On considère ainsi que les échangeurs de chaleur sont parfaits. Le fluide de travail GT et le liquide de transfert LT sont choisis de telle sorte 25 que GT soit faiblement soluble, de préférence insoluble dans LT, que GT ne réagisse pas avec LT et que GT à l'état liquide soit moins dense que LT. Lorsque la solubilité de GT dans LT est trop importante ou si GT à l'état liquide est plus dense que LT, il est nécessaire de les isoler l'un de l'autre par un moyen qui n'empêche pas l'échange de travail. Ledit moyen peut consister par exemple à interposer entre GT et LT une 30 membrane souple qui crée une barrière imperméable entre les deux fluides mais qui n'oppose qu'une très faible résistance au déplacement du liquide de transfert ainsi qu'une faible résistance au transfert thermique. Une autre solution est constituée par un flotteur qui a une densité intermédiaire entre celle du fluide de travail GT à l'état liquide et celle du liquide de transfert LT. Un flotteur peut constituer une barrière 35 matérielle grande, mais il est difficile de la rendre parfaitement efficace si l'on ne veut pas de frottements sur la paroi latérale des enceintes CT et CT'. En revanche le B0956FR 2929381 8 flotteur peut constituer une résistance thermique très efficace. Les deux solutions (membrane et flotteur) peuvent être combinées. Le liquide die transfert LT est choisi parmi les liquides qui ont une faible pression de vapeur saturante à la température de fonctionnement de l'installation, 5 afin d'éviter, en absence de membrane séparatrice telle que décrite ci-dessus, les limitations dues à la diffusion des vapeurs de GT à travers la vapeur de LT au niveau du condenseur ou de l'évaporateur. Sous réserve des compatibilités avec GT mentionnées précédemment et à titre d'exemples non exhaustifs, LT peut être l'eau, ou une huile minérale ou de synthèse, ayant de préférence une faible viscosité. io Le fluide de travail GT subit des transformations dans le domaine thermodynamique de température et pression de préférence compatible avec l'équilibre liquide - vapeur, c'est-à-dire entre la température de fusion et la température critique. Toutefois au cours du cycle de Carnot modifié, certaines de ces transformations peuvent intervenir en totalité ou en partie dans le domaine du liquide sous-refroidi 15 ou de la vapeur surchauffée, ou le domaine supercritique. Un fluide de travail est choisi de préférence parmi les corps purs et les mélanges azéotropiques, pour avoir une relation monovariante entre la température et la pression à l'équilibre liquide û vapeur. Toutefois, une machine de Carnot modifiée selon l'invention peut également fonctionner avec une solution non azéotropique en tant que fluide de travail. 20 Le fluide de travail GT peut être par exemple l'eau, CO2, ou NH3. Le fluide de travail peut en outre être choisi parmi les alcools ayant 1 à 6 atomes de carbone, les alcanes ayant de 1 à 18 (plus particulièrement de 1 à 8) atomes de carbone, les chlorofluoroalcanes ayant de préférence de 1 à 15 (plus particulièrement de 1 à 10) atomes de carbone, et les alcanes partiellement ou totalement fluorés ou chlorés 25 ayant de préférence de 1 à 15 (plus particulièrement de 1 à 10) atomes de carbone. On peut citer en particulier le 1,1,1,2-tétrafluoroéthane, le propane, l'isobutane, le n-butane, le cyclobutane, ou le n-pentane. La figure 1 représente les courbes d'équilibre liquide/vapeur pour quelques uns des fluides GT précités. La pression de vapeur saturante P (en bar) est donnée en ordonnée, en échelle logarithmique, en 30 fonction de la température T (en °C) donnée en abscisse. Un fluide utilisable comme fluide de travail peut intervenir en tant que fluide moteur ou en tant fluide récepteur, en :Fonction de l'installation dans laquelle il est utilisé, des sources de chaleur disponibles, et du but recherché. De manière générale, les fluides de travail et les liquides de transfert sont 35 choisis d'abord en fonction des températures des sources de chaleur et des puits de B0956FR 2929381 9 chaleur disponibles, ainsi que des pressions de vapeur saturantes maximales ou minimales souhaitées dans la machine, ensuite en fonction d'autres critères tels que notamment la toxicité, l'influence pour l'environnement, la stabilité chimique, et le coût. 5 Le fluide GT peut être dans les enceintes CT ou CT' à l'état de mélange biphasique liquide/vapeur à l'issue de l'étape de détente adiabatique pour le cycle moteur ou de compression adiabatique pour le cycle récepteur. Dans ce cas la phase liquide de GT s'accumule à l'interface entre GT et LT. Lorsque la teneur en vapeur de GT est grande (typiquement compris entre 0,95 et 1) dans les enceintes CT ou CT' to avant la connexion desdites enceintes avec le condenseur, on peut envisager d'éliminer totalement la phase liquide de GT dans ces enceintes. Cette élimination peut être effectuée en maintenant la température du fluide de travail GT dans les enceintes CT ou CT' à la fin des étapes de mise en communication des enceintes CT ou CT' et du condenseur, à une valeur supérieure à celle du fluide de travail GT, à l'état liquide 15 dans le condenseur., de sorte que il n'y ait pas de GT liquide dans CT ou CT' à cet instant. Dans un mode de réalisation, l'installation comprend des moyens d'échange de chaleur entre d'une part la source et le puits de chaleur qui sont à des températures différentes, et d'autre part l'évaporateur Evap., le condenseur Cond et 20 éventuellement le fluide de travail GT dans les enceintes de transfert CT et CT'. Lorsque le convertisseur hydraulique de la machine de Carnot modifiée est un moteur hydraulique et la température de la source est supérieure à la température du puits, la machine de Carnot modifiée est motrice. Une installation selon la présente invention peut comprendre une machine de Carnot modifiée motrice seule, 25 ou couplée à un dispositif complémentaire, en fonction du but recherché. Le couplage peut être effectué par voie thermique ou par voie mécanique. Dans une machine de Carnot modifiée motrice de ter type, le dispositif DPD consiste en un dispositif qui pressurise le fluide de travail GT à l'état de liquide saturé ou de liquide sous-refroidi, par exemple une pompe hydraulique auxiliaire 30 PHAI. Dans une machine de Carnot modifiée motrice de 2ème type, le dispositif DPD de pressurisation ou de détente comprend d'une part une enceinte de compression/détente ABCD et les moyens de transfert qui y sont associés et d'autre part une pompe hydraulique auxiliaire PHAI qui pressurise le fluide hydraulique de 35 transfert LT. B0956FR 2929381 10 Dans un procédé selon l'invention mis en oeuvre selon un cycle de Carnot modifié moteur, le cycle comprend les transformations suivantes : - une transformation isotherme au cours de laquelle on fournit de la chaleur à GT à partir de la source de chaleur à la température Th ; 5 une transformation adiabatique avec diminution de la pression du fluide de travail GT; une transformation isotherme au cours de laquelle de la chaleur est fournie par GT au puits de chaleur à la température Tb inférieure à la température TF, ; une transformation adiabatique avec augmentation de la pression du fluide de 10 travail GT. Lorsque le procédé de l'invention est une succession de cycles de Carnot modifiés moteurs, la source de chaleur est à une température supérieure à la température du pui[ts de chaleur. Chaque cycle est constitué par une succession d'étapes au cours desquelles il y a un changement de volume du fluide de travail GT. 15 Cette variation de volume provoque un déplacement du liquide LT qui entraîne un moteur hydraulique ou est provoquée par un déplacement du liquide LT qui est entraîné par une pompe hydraulique auxiliaire. Ainsi l'installation consomme du travail durant certaines étapes et en restitue durant d'autres étapes, tandis que sur le cycle complet il y a une production nette de travail vers l'environnement. 20 L'environnement peut être un dispositif annexe qui transforme le travail fourni par l'installation en électricité, en chaleur ou en froid. Un procédé de fonctionnement d'une machine de Carnot modifiée motrice est décrit plus en détail à partir d'une machine représentée de manière schématique sur la figure 2. La figure 2 représente une vue schématique d'une machine de Carnot 25 modifiée motrice de 2ème type, qui comprend un évaporateur Evap, un condenseur Cond, une enceinte de compression/détente isentropique ABCD, un moteur hydraulique MH, une pompe hydraulique auxiliaire PHA2 et deux enceintes de transfert CT et CT'. Ces différents éléments sont reliés entre eux par un premier circuit contenant exclusivement le fluide de travail GT, et un second circuit 30 contenant exclusivement le liquide de transfert LT. Lesdits circuits comprennent différentes ramifications obturables par des vannes commandées. L'évaporateur Evap et le condenseur Cond contiennent exclusivement le fluide GT en général à l'état de mélange liquide/ vapeur. Toutefois, selon le fluide de travail GT et la température de la source chaude Th, ledit fluide de travail GT peut se 35 trouver dans le domaine supercritique à ladite température Th et dans ces conditions B0956FR 2929381 11 l'évaporateur Evap ne contient que GT à l'état gazeux. Le moteur MH et la pompe PHA2 sont traversés exclusivement par du liquide LT. Les éléments ABCD, CCI' et CT' constituent les interfaces entre les deux circuits (GT et LT) et ils contiennent le fluide hydraulique de transfert LT dans la partie inférieure et/ou le fluide de travail 5 GT à l'état liquide, vapeur ou mélange li quide-vapeur dans la partie supérieure. ABCD est relié à Cond et à Evap par des circuits contenant GT et obturables respectivement par les électrovannes EV3 et EV4. Evap est relié à CT et CT' par des circuits contenant GT et obturables respectivement par les électrovannes EV, et EVF. Cond est relié à CT et CT' par des circuits contenant GT et obturables to respectivement par les électrovannes EV2 et EV2,. Sur le mode de réalisation représenté sur la figure 2, les moyens d'obturation sont des électrovannes deux voies. D'autres types de vannes commandées ou pas peuvent cependant être utilisées, notamment des vannes pneumatiques, des vannes à tiroir, ou des clapets anti-retour. Certaines paires de vannes deux voies (c'est-à-dire ayant une entrée et une sortie) 15 peuvent être remplacées par des vannes trois voies (une entrée, deux sorties ou deux entrées et une sortie). D'autres associations de vannes possibles sont à la portée de l'homme de métier. Sur le mode de réalisation représenté sur la figure 2, le liquide traversant le moteur hydraulique circule toujours dans le même sens. Dans ce mode de 20 réalisation, qui est le plus fréquent pour un moteur hydraulique, le liquide de transfert LT à haute pression est toujours raccordé sur le moteur MH à la même entrée (à droite dans la figure 2) et le liquide de transfert LT à basse pression est toujours raccordé sur le moteur MH à la même sortie (à gauche dans la figure 2). Comme les enceintes CT et CT' sont alternativement à haute pression et à basse 25 pression, un jeu d'électrovannes permet de les connecter aux entrée/sortie adéquates du moteur MH. Ainsi, le moteur hydraulique MH est relié en entrée (ou amont) à CT et CT' par un circuit contenant LT à haute pression et obturable respectivement par les électrovannes EVh et EVh., en sortie (ou aval) à CT et CT' par un circuit contenant LT à basse pression et obturable respectivement par les électrovannes F.Vb 30 et EVb. Par exemple dans l'étape du cycle représentée à la figure 2, la haute pression se trouve dans l'enceinte CT' et la basse pression dans CT; les électrovannes EVh, et EVb sont ouvertes et les électrovannes EVh et EVb. sont fermées ; le liquide de transfert s'écoule à travers MH de la droite vers la gauche. Durant l'autre moitié du cycle, la haute pression est dans CT et la basse pression est 35 dans CT', les électrovannes EVh, et EVb sont fermées et les électrovannes EVF et B0956FR 2929381 12 EVb. sont ouvertes, mais le liquide de transfert traverse le moteur hydraulique dans le même sens (de droite à gauche). ABCD est relié dans sa partie inférieure à l'aval de MH par un circuit contenant le liquide de transfert LT et comprenant dans deux branches en parallèle 5 la pompe hydraulique auxiliaire PHA2 et l'électrovanne EVr. Quand LT circule de MH vers ABCD, il est pressurisé par PHA2 et EVr est fermée. Quand LT circule de ABCD vers MH, il s'écoule par gravité, EVr est ouverte et PHA2 est arrêtée. Le liquide de transfert LT étant finalement transvasé vers CT ou CT', il est nécessaire que ABCD se trouve au dessus des enceintes CT et CT'. 10 Sur la figure 2, l'axe AX du moteur hydraulique MH est raccordé à un récepteur (c'est-à-dire un élément consommant du travail), soit directement soit par l'intermédiaire d'un couplage classique. Le récepteur est un alternateur ALT, couplé directement à l'axe du moteur hydraulique, et la pompe hydraulique auxiliaire PHA2 est raccordée par l'intermédiaire d'un embrayage magnétique EM. D'autres modes 15 de couplages, tels qu'un cardan, une courroie, un embrayage magnétique ou mécanique peuvent être utilisés. De même, d'autres récepteurs peuvent être raccordés sur le même axe, par exempte une pompe à eau, une machine de Carnot modifiée réceptrice, une pompe à chaleur classique (à compression mécanique de vapeur). Si nécessaire, un volant d'inertie peut aussi être monté sur cet axe pour 20 favoriser l'enchaînement des étapes réceptrices et motrices du cycle. Un cycle de Carnot modifié peut être décrit dans le diagramme de Mollier des frigoristes, qui donne la pression P, en échelle logarithmique, en fonction de l'enthalpie massique h du fluide de travail. La figure 3 représente le diagramme de Mollier du cycle de Carnot modifié moteur suivi par le fluide de travail GT. 25 Selon le fluide GT retenu, l'étape de détente isentropique de la vapeur saturée en sortie de l'évaporateur peut conduire à un mélange biphasique ou à de la vapeur surchauffée. Dans la figure 3, le cas du mélange biphasique est représenté par la trajectoire entre les points "c" et "d" en pointillé et le cas de la vapeur surchauffée est représenté par la. trajectoire entre les points "c" et "d,,s" en trait continu. En outre, 30 quel que soit GT, la. vapeur en sortie de l'évaporateur peut être surchauffée de telle sorte qu'après la détente isentropique il n'y ait que de la vapeur surchauffée ou a la limite saturée. Ce 3eme cas est représenté dans la figure 3 par la trajectoire entre les points "c,,s" et "ds'" en trait mixte. Toute incursion en début ou en fin de détente isentropique dans le domaine de la vapeur surchauffée génère des irréversibilités et 35 induit donc une diminution du rendement du cycle. Toutefois lorsque la position du point "d" est très proche de l'état de vapeur saturée, il est préférable d'éliminer toute B0956FR 2929381 13 présence de GT liquide dans les enceintes CT ou CT' en réalisant une surchauffe de GT en sortie de la détente isentropique. Le choix du moyen pour apporter de la chaleur à GT dans CT et CT' est à la portée de l'homme de métier. L'apport de chaleur peut être fait par exemple par une résistance électrique ou par échange avec la 5 source chaude à Th. L'échange de chaleur peut être fait dans un échangeur intégré au circuit de LT, ledit LT échangeant à son tour avec GT à leur interface dans CT et CT'. L'échange peut en outre est effectué au niveau de la paroi latérale de CT et CT'. C'est cette dernière possibilité qui est représentée dans la figure 2, sur laquelle de la chaleur à la température Ti est apportée à CT. io Le cycle de Carnot modifié moteur est constitué par 4 phases successives débutant respectivement aux instants ta, tr ts et tk. Il est décrit ci-après par référence au cycle a-b-c-d,,s-e-a du diagramme de Mollier représenté sur la figure 3. Le principe est identique pour le cycle a-b-cys-ds-e-a. Phase a5y (entre les instants ta et tx) 15 À l'instant précédant immédiatement ta , le niveau de LT est bas (noté B) dans ABCD et le cylindre CT, et haut (noté H) dans le cylindre CT'. Au même instant, la pression de vapeur saturante de GT a une valeur basse Pb dans ABCD et CT, et une valeur haute Ph dans Evap et CT'. C'est à cet instant du cycle que correspond la configuration de l'installation représentée schématiquement à la figure 2. 20 À l'instant ta, l'ouverture des électrovannes EV1,, EV2, EVh, et EVb et l'embrayage de PHA2 provoquent les phénomènes suivants : - La vapeur saturée de GT sortant de l'évaporateur à Ph, pénètre dans CT' et refoule le liquide de transfert LT à un niveau intermédiaire (noté J). LT passe à travers le moteur MH en se détendant, ce qui produit du travail dont une 25 partie est récupérée par la pompe PHA2. Après avoir été détendu par MI-I, une partie du liquide de transfert LT est transférée vers CT et l'autre partie du liquide LT est transférée vers ABCD. Dans CT, LT passe du niveau bas au niveau intermédiaire (noté I), refoule les vapeurs de GT vers le condenseur où elles se condensent et s'accumulent en 30 partie inférieure (les vannes EV2 étant ouverte et EV3 fermée). L'autre partie de LT est aspirée par la pompe PHA2 et refoulée à plus haute pression vers ABCD ce qui permet de comprimer de façon isentropique le mélange liquide/vapeur de GT contenu dans cette enceinte. Sur le diagramme de Mollier (figure 3), cette étape correspond aux 35 transformations simultanées suivantes: * a ù* b dans l'enceinte ABCD; B0956FR 2929381 14 * b c dans l'ensemble Evap-CT'; * ds -3 e dans l'ensemble CT-Cond. La pressurisation de GT à partir de la basse pression Pb jusqu'à la haute pression Ph dans ABCI) doit être réalisée avant son introduction dans l'évaporateur qui 5 est toujours à la pression haute Ph. C'est donc seulement à l'instant tp que l'électrovanne EV4 (qui peut être remplacée par un clapet anti-retour) entre A13CD et Evap est ouverte. Ceci nécessite d'avoir un stock de GT à l'état liquide dans l'évaporateur au début de cette phase, stock qui est reconstitué à la fin de cette étape. D'un point de vu énergétique, durant cette phase ah, de la chaleur Qh a été to consommée au niveau de l'évaporateur à Th, de la chaleur Qde a été relâchée au niveau du condenseur à Tb (Tb d --> dvs sur le diagramme de Mollier, figure 3) et refoule toujours le liquide de transfert LT à travers le moteur MH 20 dans le cylindre CT. En fait cette transformation peut être décomposée en une détente strictement adiabatique (c -> d) qui aboutit selon le fluide GT dans le domaine biphasique ou dans la vapeur surchauffée, suivie d'une légère surchauffe (d -+ ds) par les parois de CT' maintenues à une température suffisante pou~ le 25 permettre (comprise entre Tb e1: Th). La transformation d --> ds n'est oas obligatoire ; si à l'issue de la détente strictement adiabatique (c -> d) le fluide GT se trouve dans le domaine biphasique, le liquide GT sera partiellement refoulé à la fin de cette phase 78 dans le condenseur. L'enceinte ABCD en communication avec le condenseur est ramenée à la 30 pression basse et le liquide de transfert LT qu'elle contient dans sa partie inférieure s'écoule par gravité vers CT qui doit donc se trouver préférentiellement au dessous de ABCD. Toutefois si l'électrovanne EV, est ouverte un peu avant l'électrovanne EV3 et s'il reste un peu de GT à l'état de liquide saturé dans la partie supérieure de ABCD, alors la dépressurisation de LT lors 35 de la mise en communication avec CT induit une vaporisation partielle ou totale dudit reste de GT liquide initialement à la pression haute Ph. Dans ces B0956FR 2929381 15 conditions la pression en amont de EVr peut être suffisante durant toute la durée du transfert de LT pour compenser la hauteur de colonne de liquide et l'enceinte AI3CD n'est alors pas obligatoirement au dessus des enceintes CT et CT'. 5 En raison de la montée du niveau de LT (de I à H) dans CT, le reste des vapeurs de GT dans CT se condense dans Cond (transformation eù>a). - Tous les condensats (ceux accumulés à la phase précédente et ceux de la présente phase) se retrouvent dans ABCD. D'un point de vu énergétique, durant cette phase y8, de la chaleur Qea est ro relâchée au niveau du condenseur à Tiä un peu de chaleur (prélevée sur la source chaude à Ti,) est éventuellement consommée au niveau de CT' pour assurer la surchauffe d dvs et un travail Wp est également délivré à l'extérieur. La deuxième partie du cycle est symétrique : l'évaporateur, le condenseur et ABCD sont le siège des mêmes transformations successives, tandis que les rôles des 15 enceintes CT et CT' sont intervertis. Phase 8EX (entre les instants ts et t2à Elle est équivalente à la phase a(3y mais avec interversion des enceintes de transfert CT et CT'. Phase (entre les instants tx et ta): 20 Elle est équivalente à la phase yô mais avec interversion des enceintes de transfert CT et CT'. À l'issue de aa phase Xa, la machine de Carnot modifiée motrice de 2ème type se retrouve à l'état a du cycle décrit ci-dessus. Les diverses transformations thermodynamiques suivies par le fluide GT (avec la transformation d --> dvs consi- 25 dérée comme optionnelle) et les niveaux du liquide de transfert LT sont résumés dans le tableau 1. L'état des actionneurs (électrovannes et embrayage de la pompe PHA2) est résumé dans le tableau 2, dans lequel x signifie que l'électrovanne correspondante est ouverte ou que la pompe PHA2 est embrayée. B0956FR 2929381 16 Tableau 1 Étape Transformation Lieu Niveau de LT CT CT' ABCD aRY a ù> b ABC[) BùI H-->J Bù>H b c Evap + CT' d ou dvs --> e CT + Cond YS c --> d ou dvs CT' IùH J-4B H-->B e -> a CT + Cond + ABCD .50\. a ù> b ABC[) H-->J BùI Bù>H b --> c Évap + CT d ou dvs ù> e CT' + Cond ~a c --> d ou dvs CT Jù*B Iù*H Hù>B e ù> a CT' + Cond -~ ABCD Tableau 2 Étape EV1 EV1~ EV2 EV2. EV3 EV4 EVb EVh EVb. EVh. EV, PHA2 (xRY x x x (à ta) x x x YS x x x x x OEA,, X x x (à tE) x x x x x x x x La production de travail est continue pendant toute la durée du cycle, mais pas à puissance constante soit parce que la différence de pression aux bornes du 5 moteur hydraulique varie, soit parce qu'une partie, variable dans le temps, de ce travail est récupérée par la pompe hydraulique auxiliaire PHA2. Ceci n'est pas gênant si le travail fourni à l'extérieur sert directement pour une machine réceptrice qui n'a pas besoin d'être constante à l'intérieur du cycle, telle qu'une pompe à eau ou une machine de Carnot modifiée réceptrice. Bien entendu, la puissance moyenne sur to un cycle reste constante d'un cycle à l'autre, lorsqu'un régime permanent de fonctionnement est atteint et si les températures Th et Tb restent constantes. Par ailleurs, l'évaporateur est isolé du reste du circuit pendant les phases yii et Xa alors que l'apport de chaleur par la source chaude à Th est a priori continu. Dans ces conditions il y aura durant ces phases d'isolement une montée en température et 15 donc en pression dans l'évaporateur puis une brusque chute aux instants ta et ts de réouverture des vannes EV' ou EV1. B0956FR 2929381 17 Dans un mode de mise en oeuvre préféré du procédé de l'invention, il est tenu compte du fait que le liquide de transfert LT est incompressible, et que les variations de niveau qui interviennent simultanément dans les trois enceintes ABCD, Cl' et CT' ne sont donc pas indépendantes. Par ailleurs ces variations de niveau de LT 5 résultent ou impliquent des variations concomitantes de volume du fluide GT. Cela se traduit par l'équation suivante entre les volumes massiques de GT à différents stades du cycle: ve - va = vds - ve (eq. 1) v; étant le volume massique de GT à l'état thermodynamique du point "i", "i" étant respectivement e, a. dvs et c. t o La figure 4 représente les diagrammes de Mollier pour trois cycles de Carnot modifiés moteurs du 2ème type, à savoir les cycles a"-b"-c"-ds-e"-a", a'-b'-c'-d,,s-e'-a' et a-b-c-d,,s-a. Ces trois cycles ont une même température Tb de GT dans le condenseur et des températures croissantes de GT dans l'évaporateur, respectivement à T"h, T'h et Th. Sur cette figure, les courbes en trait rnixte sont des courbes à 15 volume massique constant. Lorsque les températures du condenseur et de l'évaporateur sont très proches (voire confondues), le point -e- dans le diagramme de Mollier est proche du point - a- (voire confondu avec) comme représenté schématiquement avec le cycle a"-b"-c"-d,,s-e"-a". Au fur et à mesure que l'écart de température entre le puits et la source 20 de chaleur augmente, le point -e- s'éloigne du point -a- et se rapproche du point -ds-. Le cycle a'-b'-c'-ds-e'-a' représente un cas intermédiaire et le cycle a-b-c-ds-a représente le cas extrême dans lequel les points -e- et -ds- sont confondus. Comme le rendement du cycle de Carnot modifié moteur augmente avec l'écart de température entre le puits et la source de chaleur, le cycle a-b-c-ds-a est préférable 25 sous réserve de disposer d'une source de chaleur à la température Th suffisante pour une température du puits Tb fixée. Dans ce cas préféré (où ve = vds), l'équation (eq. 1) se réduit à ve = va tel que cela est représenté à la figure 4. En outre, les étapes décrites dans la configuration générale du procédé de mise en oeuvre de la machine de Carnot modifiée motrice du 30 2ème type sont simplifiées puisque la transformation ds(ou d) -3 e n'a plus lieu d'être. Ainsi, la différence de température (Th-Tb) entre les deux transformations isothermes du cycle de Carnot modifié moteur ne peut pas dépasser une certaine valeur ATmax, fonction d'une des températures (Th ou Tb) et du fluide de travail 35 choisi GT. Or les performances de la machine de Carnot modifiée dépendent notam- B0956FR 2929381 18 ment de cette valeur ATmax. Pour obtenir la performance maximale avec un fluide GT donné et une température Th ou Tb donnée, il est nécessaire de choisir les autres conditions de fonctionnement telles que le rapport va/ve soit le plus proche possible de 1 (par valeur inférieure), soit de préférence 0,9 va/ve 1 et plus particulière- 5 ment 0,95 va/ve 1. Les diverses transformations thermodynamiques de ce mode de réalisation préféré sont résumées dans le tableau 3, et l'état des actionneurs (électrovannes et embrayage de la pompe PHA2) est résumé dans le tableau 4 dans lequel x signifie que l'électrovanne correspondante est ouverte ou que la pompe PHA2 est embrayée. 10 Tableau 3 Étape Transformation Lieu Niveau de LT CT CT' ABCD a(3Y a ù> b ABCD B H--J B-->H b ù* c Evap+CT' Y8 c --> d ou dvs CT' BùH J-->B H-->B d ou dvs -- a CT + Cond + ABCD 8EX a -> b ABCD H--->J B B-->H b ù> c Évap + CT 7.a c ù> d ou dvs CT Jù>B B-->H H-->B d ou dvs --> a CT' + Cond + ABCD Tableau 4 Étape EV1 EV1 EV2 EV2, EV3 EV4 EVb EVh EVh, EVh, EV, PHA2 DRY x x (à ta) x x Yb x x x x x SEÂ, X X (à te) X X 2a x x x x x Les étapes du cycle de Carnot modifié moteur du 2ème type dans la configuration préférée sont détaillées ci-dessous dans la mesure où elles diffèrent de celles décrites ci-dessus pour la configuration générale. 15 A partir d'un état initial dans lequel d'une part le fluide de travail GT est maintenu dans l'évaporateur Evap à haute température et dans le condenseur Cond à basse température par échange de chaleur respectivement avec la source chaude à B0956FR 2929381 19 Th et le puits froid à Tb c dans l'ensemble EvapùCT'. La pressurisation de Pb à Ph de GT dans ABCD doit être réalisée avant son 20 introduction dans l'évaporateur qui est toujours à la pression haute Ph. C'est donc seulement à l'instant tp que l'électrovanne EV4 (qui peut être remplacée par un clapet anti-retour) entre ABBCD et Evap est ouverte. D'un point de vu énergétique, durant cette phase al3y, de la chaleur Qh a été consommée au niveau de l'évaporateur à Th et un travail Wapy net a également été 25 délivré à l'extérieur. Phase y8 (entre les instants tx et tà : À l'instant ty, c'est-à-dire lorsque le niveau de LT a atteint les valeurs prédéfinies (J dans CT' et H dans ABCD), on ferme EV1 et EV4, on laisse EVh, ouverte et on ouvre les électrovannes EV2 , EV3 , EVb et EV,. Il en résulte que : 30 - La vapeur de GT contenue dans CT' continue à s'expanser, mais de manière adiabatique ou quasi-adiabatique c'est-à-dire selon la transformation c -- d (suivi éventuellement de d ù> ds) et refoule le liquide de transfert LT à travers le moteur MH dans le cylindre CT. Cette transformation peut être décomposée en une détente strictement 35 adiabatique (c --> d) qui aboutit selon le fluide GT dans le domaine B0956FR 2929381 20 biphasique ou dans la vapeur surchauffée, suivie d'une légère surchauffe (d ù> ds) par les parois de CT' maintenues à une température suffisante pour le permettre (comprise entre Tb et T h). L'enceinte ABCD en communication avec le condenseur est ramenée à la 5 pression basse et le liquide de transfert LT qu'elle contient dans sa partie inférieure s'écoule par gravité vers CT qui doit donc se trouver préférentiellement au dessous de ABCD. Toutefois si l'électrovanne EVr est ouverte un peu avant l'électrovanne EV3 er: s'il reste un peu de GT à l'état de liquide saturé dans la partie supérieure de ABCD, alors la dépressurisation de LT lors to de la mise en communication avec CT induit une vaporisation partielle ou totale dudit reste de GT liquide initialement à la pression haute Ph. Dans ces conditions la pression en amont de EVr peut être suffisante durant toute la durée du transfert de LT pour compenser la hauteur de colonne de liquide et l'enceinte ABCD n'est alors pas obligatoirement au dessus des enceintes CT 15 et CT'. En raison de la montée du niveau de LT (de B à H) dans CT, les vapeurs de GT contenues dans CT se condensent dans le condenseur Cond (transformation d ou d,,s ù> a). Les condensats ne s'accumulent pas dans Cond car ils s'écoulent par gravité 20 vers l'enceinte ABCD. D'un point de vu énergétique, durant cette phase y8, de la chaleur Qda est relâchée au niveau du condenseur à Th, un peu de chaleur (prélevée sur la source chaude à Th) est éventuellement consommée au niveau de CT' pour assurer la surchauffe d ù> d,,, et un travail WYS est également délivré à l'extérieur. 25 Comme dans le cas général du mode de mise en oeuvre du procédé de l'invention dans une machine de Carnot modifiée motrice du 2ème type, l'autre moitié du cycle est symétrique : la phase 8cX (entre les instants ts et ta) est équivalente à la phase aJ3y niais avec interversion des enceintes de transfert CT et CT'. 30 - la phase Xa (entre les instants tk et ta,) est équivalente à la phase y8 mais avec interversion des enceintes de transfert CT et CT'. Plus particulièrement à l'instant t5. on ferme tous les circuits ouverts à l'instant t1, on ouvre le circuit de GT entre Evap et CT (par EV1), on ouvre le circuit de LT entre CT 35 et l'amont du moteur hydraulique MIT (par EVh), et on actionne la pompe auxiliaire PHA2, de sorte que : B0956FR 2929381 21 * la vapeur saturée de GT sortant de Evap à la pression élevée Ph, pénètre dans CT et refoule LT à un niveau intermédiaire J ; * LT passe à travers MH en se détendant, puis LT est aspiré par PHA2 et refoulé vers ABCD. s à l'instant tE, on ouvre le circuit de GT entre ABCD et Evap (par EV4) de sorte que le fluide de travail GT est introduit à l'état liquide dans l'évaporateur ; à l'instant tx, on ferme le circuit de GT entre Evap et CT d'une part, entre ABCD et Evap d'autre part, on arrête la pompe auxiliaire PHA2, on ouvre le circuit de GT entre Cond et ABCD (par EV3) d'une part, entre CT' et Cond 10 (par EV2.) d'autre part, et on ouvre le circuit de LT entre CT' et ABCD (par EVr et EVb,) , de sorte que : * La vapeur de GT contenue dans CT continue à s'expanser, de manière adiabatique, et refoule LT jusqu'au niveau bas dans CT puis à travers MH vers CT'. 15 * l'enceinte ABCD en communication avec Cond est ramenée à la pression basse et LT, qu'elle contient dans sa partie inférieure, s'écoule vers CT ' ; * les vapeurs de GT contenues dans CT ' se condensent dans Cond. Après plusieurs cycles, l'installation fonctionne à un régime permanent dans lequel la source chaude fournit en continu de la chaleur à la température Th au 20 niveau de l'évaporateur Evap, de la chaleur est délivrée en continu par le condenseur Cond au puits froid à la température Tb, et du travail est délivré en continu pa;- la machine. Dans ce cas préféré du cycle de Carnot modifié moteur de 2ème type, il existe, pour un fluide de travail donné et pour n'importe quelle température du condenseur 25 Tb, une valeur maximale de la température Th-max de l'évaporateur telle que ]'on vérifie l'égalité des volumes massiques ve et va. Toutefois, si l'on dispose d'une source de chaleur à une température l 'h bien supérieure à Th-max, il est possible a priori d'avoir un meilleur rendement de la machine, soit en associant en cascade deux machines de Carnot modifiées motrices dans l'installation de l'invention, soit 30 en utilisant dans l'installation, une machine de Carnot modifiée motrice du let type. Dans une machine de Carnot modifiée motrice de ler type, le dispositif de pressurisation/détente placé entre le condenseur Cond et l'évaporateur Evap comprend une pompe hydraulique auxiliaire PHA1 et une électrovanne EV3 en série. La figure 5 est une représentation schématique du dispositif. Les éléments 35 identiques à ceux de la machine motrice de 2ème type sont désignés par la même référence. L'électrovanne EV3 peut être remplacée par un simple clapet anti-retour, B0956FR 2929381 22 lui-même pouvant être intégré dans la pompe PHA1. Le fluide de travail GT à l'état de liquide saturé en sortie du condenseur Cond est directement pressurisé par la pompe PHA1 et introduit dans l'évaporateur Evap. Sur la figure 5 la possibilité d'apport de chaleur à la température Ti aux 5 niveaux des enceintes CT et CT' n'est pas représentée. mais elle reste possible comme sur la figure 2. Les différentes étapes du cycle et l'état des actionneurs (électrovannes et pompe PHA1) sont détaillés ci-dessous et résumés dans les tableaux 5 et 6. Tableau 5 Étape Transformation Lieu Niveau de LT CT CT' a(3 a -> b Entre Cond et Evap Bù 1 Hù*J bù>b,--> c Evap+CT' dvs ù> e CT + Cond RY c ù> d,,s CT' Iù>H J-->B e ù> a CT + Cond Yb a ù b Entre Cond et Evap Hù*J Bù>I b-->b1-->c Évap+CT dvs ù> e CT' + Cond Sa c d,,s CT J---)B I-->H e ->a CT'+Cond to Tableau 6 Électrovannes ouvertes ou pompe PHA1 en marche Étape EV1 EV1~ EV2 EV2 EV3 EVb EVh EVb EVh, PHA, a(3 x x x x x x (3Y x x x x x Yb x X x x x x 8a X x x x x J Les étapes du cycle de Carnot modifié moteur du ter type sont décrites ci-dessous pour les points qui diffèrent de ce qui a été décrit ci-dessus pour le cycle de Carnot modifié moteur du 2ème type dans sa configuration générale. Le prerr ier cycle est effectué à partir d'un état initial dans lequel le fluide de travail GT est B0956FR 2929381 23 maintenu dans l'évaporateur Evap à haute température et dans le condenseur Cor, d à basse température par échange de chaleur respectivement avec la source chaude à Th et le puits froid à Tb, et tous les circuits de communication du fluide de travail GT et du liquide de transfert LT sont obturés. À l'instant ta on actionne la pompe 5 hydraulique auxiliaire PHA1 et on ouvre (par EV3) le circuit de GT entre Cond et Evap de sorte qu'une partie de GT, à l'état de liquide saturé ou sous-refroidi est aspiré par PHA1 dans la partie inférieure du condenseur Cond, et refoulé à l'étal de liquide sous-refroidi dans Evap où il se réchauffe, puis on soumet GT à une succession de cycles de Carnot modifiés, chacun desquels comprenant les étapes 10 suivantes : Phase 4 (entre les instants t, et te) : À l'instant précédant immédiatement ta, le niveau de LT est bas (noté B) dans le cylindre CT, et haut (noté H) dans le cylindre CT'. Au même instant, la pression de vapeur saturante de GT a une valeur basse Ph dans CT, et une valeur 15 haute Ph dans Evap et CT'. C'est cet instant du cycle qui est représenté schématiquement à la figure 5. À l'instant te, l'ouverture des électrovannes EV1,, EV2, EV3 , EVh' et EVb et la mise en marche de PHA1 provoquent les phénomènes suivants : La vapeur saturée de GT sortant, de l'évaporateur à Ph, pénètre dans CT' et 20 refoule le liquide de transfert LT à un niveau intermédiaire (noté J). LT passe à travers le rnoteur MH en se détendant, ce qui produit du travail. Le travail nécessaire à PHA1 est fourni par un moteur électrique indépendant, non représenté. Dans une variante, la pompe PHA1 peut être raccordée à l'axe du moteur 25 hydraulique par l'intermédiaire de l'embrayage magnétique EM, de sorte que, durant cette étape, une partie du travail délivré par le moteur hydraulique est récupérée par la pompe PHA1. Après avoir été détendu par MH, le liquide de transfert LT est refoulé dans CT. Dans CT, LT passe du niveau bas au niveau intermédiaire (noté I), 30 refoule les vapeurs de GT vers le condenseur où elles se condensent. Le fluide de travail GT à l'état de liquide saturé est aspiré par la pompe PHA et refoulé à plus haute pression vers Evap où il entre à l'état de liquide sous-refroidi. Sur le diagramme de Mollier (figure 6), cette étape correspond aux 35 transformations simultanées suivantes: a -3 b entre le condenseur et l'évaporateur; B0956FR 2929381 24 b b1 ù> c dans l'ensemble EvapùCT'; - e dans l'ensemble CT-Cond. Il est préférable que la pompe hydraulique auxiliaire PHA1 ne soit pas en marche et que l'électrovanne EV3 ne soit pas être ouverte s'il n'y a pas de liquide GT 5 en amont de cette pompe. Un détecteur de niveau de liquide peut être disposé comme élément de sécurité pour arrêter la pompe et fermer l'électrovanne si nécessaire. L'évaporation de GT dans Evap est compensée en continu par les apports de GT liquide venant du condenseur de sorte que le niveau de GT liquide dans l'évaporateur est à peu près constant. to D'un point de vu énergétique, durant cette phase et 3, de la chaleur Qh a été consommée au niveau de l'évaporateur à Th, de la chaleur Qde a été relâchée au niveau du condenseur à Tb (Tb ds sur le diagramrne de Mollier, figure 6) et refoule toujours le liquide de transfert LT à travers le moteur MH dans le cylindre CT. Comme pour le mode de réalisation illustré par la figure 3, cette transformation peut être décomposée en une détente strictement adiabatique 25 (c d) qui aboutit, selon le fluide GT utilisé, dans le domaine biphasique ou dans la vapeur surchauffée, suivie d'une légère surchauffe (d -* d,$) par les parois de CT' maintenues à une température suffisante pour le permettre (comprise entre Tb et Th). En raison de la montée du niveau de LT (de I à H) dans CT, le reste des 30 vapeurs de GT dans CT se condense dans Cond (transformation e->a). Comme pour l'étape précédente les condensats sont aspirés par PHA1 au fur et à mesure qu'ils s'accumulent au fond du condenseur. D'un point de vu énergétique, durant cette phase J3y, de la chaleur Qea est relâchée au niveau du condenseur à Tb , un peu de chaleur (prélevée sur la source B0956FR 2929381 25 chaude à Th) est consommée au niveau de CT' pour assurer la surchauffe d _- d,,set un travail net WRr est également délivré à l'extérieur. L'autre moitié est symétrique : l'évaporateur et le condenseur sont le siège des mêmes transformations successives, tandis que les rôles des enceintes CT et CT' 5 sont intervertis Phases 78 (entre les instants tx et ts) et 8 tre les instants tS et ta) : Elles sont équivalentes respectivement à la phase agi et la phase Fiy, mais avec interversion des enceintes de transfert CT et CT'. Plus particulièrement : t o - à l'instant t,, on ferme les circuits ouverts à l'instant tp, excepté celui permettant le transfert de GT entre Cond et Evap (par EV3) , on ouvre le circuit de GT entre Evap et CT (par EV1) d'une part, entre CT' et Cond (par EV2,) d'autre part, et on ouvre le circuit permettant le transfert de LT de CT vers CT' en passant par le moteur hydraulique MH (par EVh et EVh.) , de 15 sorte que : * GT se réchauffe et s'évapore dans Evap et la vapeur saturée de GT sortant de Evap à la pression élevée Ph, pénètre dans CT et refoule LT à un niveau intermédiaire J ; * LT passe à travers MH en se détendant, puis LT est refoulé vers CT' 20 jusqu'au niveau intermédiaire I ; * les vapeurs de GT contenues dans CT' et refoulées par le liquide LT se condensent dans Cond ; * GT à l'état de liquide saturé ou sous-refroidi arrive dans la partie inférieure du condenseur Cond où il est aspiré au fur et à mesure par 25 PHA1, puis refoulé à l'état de liquide sous-refroidi dans Evap ; à l'instant ts, on ferme le circuit de GT entre Evap et CT (i.e. fermeture de EV1) de sorte que : * La vapeur de GT contenue dans CT continue à s'expanser, de manière adiabatique, et refoule LT jusqu'au niveau bas dans CT puis à travers MH 30 vers CT' où il atteint le niveau haut ; * le reste des vapeurs de GT contenues dans CT' et refoulées par le liquide LT se condensent dans Cond ; * GT à l'état de liquide saturé ou sous-refroidi arrive dans la partie inférieure du condenseur Cond où il est aspiré au fur et à mesure par 35 PHA1 et enfin refoulé à l'état de liquide sous-refroidi dans Evap. B0956FR 2929381 26 Après plusieurs cycles, l'installation fonctionne à un régime permanent dans lequel la source chaude fournit en continu de la chaleur à haute température Tt, au niveau de l'évaporateur Evap, de la chaleur est délivrée en continu par le condenseur Cond au puits froid à Tb et du travail est délivré en continu par la machine. 5 Dans cette configuration (dite de 1 er type), l'équation (1) liant les volumes massiques de GT dans les différentes étapes du cycle est toujours valable, soit : Ve ù va = vdvs - vc (eq. 1) Toutefois le volume massique de GT en sortie du condenseur, c-à-d à l'état de liquide saturé (point "a" dans le diagramme de Mollier) est toujours très inférieur à io celui de GT en sortie de l'évaporateur, c-à-d à l'état de vapeur saturée ou surchauffée (point "c" ou "cvs" dans le diagramme de Mollier) quelque soit l'écart en température entre Th et Tb. Ainsi la double inégalité suivante est toujours vérifiée : va bi génère des irréversibilités notables ce qui a un effet défavorable sur le rendement du cycle. Toutefois comme l'augmentation de l'écart (Th-Tb) a, à l'mverse, un effet positif sur ce rendement, il est possible, selon les conditions thermodynamiques et le fluide GT choisis, que le rendement de la machine de Carnot modifiée motrice de ter type soit finalement 25 supérieur à celui de la machine de Carnot modifiée motrice de 2ème type, y compris dans sa configuration préférée. Lorsque le procédé de l'invention est une succession de cycles de Carnot modifiés récepteurs, la source de chaleur est à une température Tb inférieure à la température Th du puits de chaleur. Chaque cycle est constitué par une succession 30 d'étapes au cours desquelles il y a un changement de volume du fluide de travail GT. Cette variation de volume provoque ou est provoquée par un déplacement du liquide LT. Ainsi durant certaines étapes, l'installation consomme du travail et en restitue durant d'autres étapes, mais sur le cycle complet, il y a une consommat:.on nette de travail fourni par l'environnement par l'intermédiaire d'une pompe hydrau- 35 ligue PH. B0956FR 2929381 27 Dans une machine de Carnot modifiée réceptrice du 1 er type, l'étape de détente adiabatique est isenthalpique plutôt qu'isentropique. En effet le travail susceptible d'être récupéré durant la détente isentropique est faible en comparaison des travaux mis en jeu durant les autres étapes du cycle. La détente isenthalpique ne né- 5 cessite qu'un simple dispositif de détente adiabatique irréversible, le dispositif de pressurisation ou détente peut être un capillaire ou une vanne de détente. Dans un machine de Carnot modifiée réceptrice du 2ème type, il est nécessaire que le dispositif de pressurisation et de détente soit une bouteille de compression/ détente adiabatique ABCD et les moyens de transfert associés. Ainsi dans cette configuration t o préférée du 1 er type, le coefficient de performance ou d'amplification de la machine de Carnot modifiée réceptrice sera légèrement diminué (tout en restant supérieur aux machines équivalentes de l'art antérieur) mais avec une simplification significative du procédé et un coût moindre. Lorsque le procédé de l'invention est une succession de cycles de Carnot t 5 modifiés récepteurs, la source de chaleur est à une température Tb inférieure à la température Th du puits de chaleur. Chaque cycle est cortstitué par une succession d'étapes au cours desquelles il y a un changement de volume du fluide de travail GT. Cette variation de volume provoque ou est provoquée par un déplacement du liquide LT. Ainsi durant certaines étapes l'installation consomme du travail et en restitue 20 durant d'autres étapes, mais sur le cycle complet, il y a une consommation nette de travail fourni par l'environnement par l'intermédiaire d'une pompe hydraulique PH. La figure 7 représente une vue schématique d'une machine de Carnot modifiée réceptrice de le' type qui comprend un évaporateur Evap, un condenseur Cond, une enceinte de compression/détente isentropique ABCD, une pompe hy- 25 draulique PH et deux enceintes de transfert CT et CT'. Ces différents éléments sont reliés entre eux par un premier circuit contenant exclusivement le fluide de travail GT, et un second circuit contenant exclusivement le liquide de transfert LT. Lesdits circuits comprennent différentes ramifications obturables par des moyens comm ln-dés ou pas. Sur le mode de réalisation représenté sur la figure 7, les vannes 30 commandées sont des électrovannes deux voies. D'autres types de vannes commandées peuvent cependant être utilisées, notamment des vannes pneumatiques, des vannes à tiroir, ou des clapets anti-retour. Certaines paires de vannes deux voies (c-à-d ayant une entrée et une sortie) peuvent être remplacées par des vannes trois voies (une entrée, deux sorties ou deux entrées et une sortie). 35 D'autres associations de vannes possibles sont à la portée de l'homme de métier. B0956FR 2929381 28 L'évaporateur Evap et le condenseur Cond contiennent exclusivement le fluide GT en général à l'état de mélange liquide/ vapeur. Toutefois, selon le fluide de travail GT et la température Th du puits chaud, ledit fluide de travail GT peut se trouver dans le domaine supercritique à Th et dans ces conditions le condenseur 5 Cond ne contient que GT à l'état gazeux. La pompe PH est traversée exclusivement par du liquide LT. Les éléments ABCD, CT et CT' constituent les interfaces entre les deux circuits (GT et LT). Ils contiennent le fluide hydraulique de transfert LT dans la partie inférieure et/ou le fluide de travail GT à l'état liquide, vapeur ou mélange liquide-vapeur dans la partie to supérieure. ABCD est relié à Cond et à Evap par des circuits contenant GT et obturables respectivement par les électrovannes EV3 et EV4. Evap est relié à Cù et CT' par des circuits contenant GT et obturables respectivement par les électrovannes EV1 et EV1. Cond est relié à CT et CT' par des circuits contenant GT et obturables respectivement par les électrovannes EV2 et EV2,. 15 Généralement le liquide traversant une pompe hydraulique circule toujcurs dans le même sens. C'est cette option la plus courante qui est représentée dans la figure 7. Cela implique que le liquide de transfert LT à basse pression soit toujours raccordé sur la pompe PH à la même entrée (à gauche dans la figure 7) et que le liquide de transfert LT à haute pression soit toujours raccordé sur la pompe PH à la 20 même sortie (à droite dans la figure 7). Comme les enceintes CT et CT' sont alternativement à haute pression et à basse pression, un jeu d'électrovannes permet de les connecter aux entrée/sortie adéquates de la pompe PH. Ainsi, la pompe PH est reliée en entrée (ou amont) à CT et CT' par un circuit contenant LT à basse pression et obturable respectivement par les électrovannes EVb et EVb,, en sortie ;ou 25 aval) à CT et CT' par un circuit contenant LT à haute pression et obturable respectivement par les électrovannes EVh et EVh.. Par exemple si la haute pression se trouve dans l'enceinte CT' et la basse dans CT, les électrovannes EVh, et EVb sont ouvertes et les électrovannes EVh et EVb, fermées, le liquide de transfert s'écoule à travers PH de la gauche vers la droite. Durant l'autre moitié du cycle, la haute 30 pression est alors dans CT et la basse pression dans CT', et les électrovannes EV1,, et EVb sont fermées et les électrovannes EVh et EVb, sont ouvertes mais le liquide de transfert traverse la pompe hydraulique dans le même sens (de gauche à droite). ABCD est relié dans sa partie inférieure par deux branches en parallèle du circuit contenant le liquide de transfert LT. La branche obturable par l'électrovanne 35 EV, est raccordée au circuit haute pression de LT, et la branche obturable par l'électrovanne EVr est raccordée au circuit basse pression. Quand LT circule de B0956FR 2929381 29 ABCD vers l'enceinte de transfert CT ou CT', il s'écoule par gravité et il est donc nécessaire que ABCD se trouve au dessus des enceintes CT et CT'. L'axe de la pompe hydraulique PH doit être raccordé à un ou plusieurs dispositifs moteurs (c'est-à-dire fournissant du travail) soit directement soit par 5 l'intermédiaire d'un couplage classique, tel qu'un cardan, une courroie, un embrayage (magnétique ou mécanique). Par exemple dans la figure 7, l'axe AX est raccordé à un moteur électrique ME par l'intermédiaire d'un embrayage magnétique EM1, tandis qu'un autre embrayage magnétique EM2 permet le couplage à d'autres moteurs tels qu'une turbine hydraulique, un moteur à essence ou diesel, un moteur à 10 gaz, ou une machine de Carnot modifiée motrice. Enfin, si nécessaire, un volant d'inertie peut aussi être monté sur cet axe pour favoriser l'enchaînement des étapes réceptrices et motrices du cycle. Le cycle de Carnot modifié récepteur suivi par le fluide moteur GT est décrit dans le diagramme de Mollier représenté sur la Figure 8. 15 Selon le fluide GT retenu, l'étape de compression isentropique de la vapeur saturée en sortie de l'évaporateur peut conduire à un mélange biphasique ou à de la vapeur surchauffée. Dans la figure 8, le 1e` cas (mélange biphasique, assez rare) est représenté par la trajectoire entre les points "1" et "2" en pointillé et le 2ème cas (vapeur surchauffée) par la trajectoire entre les points "1" et "2,,s" en trait continu. 20 Par ailleurs, quelque soit GT, la vapeur en sortie de l'évaporateur peut être légèrement surchauffée de telle sorte qu'après la compression isentropique il n'y ait que de la vapeur surchauffée ou à la limite saturée. Ce 3ème cas est représenté dans la figure 8 par la trajectoire entre les points "1,,s" et "2,,s" en trait mixte. Toute incursion en début ou en fin de compression isentropique dans le domaine de la 25 vapeur surchauffée génère des irréversibilités et induit donc une légère diminution des coefficients de performance ou d'amplification du cycle. Comme pour la machine de Carnot modifiée motrice, il est possible de réaliser une surchauffe de GT en entrée de la compression isentropique, mais cela ne présente qu'un intérêt faible (éviter toute présence de GT liquide dans les enceintes CT ou CT') et seulement dans 30 le cas où ladite compression isentropique aboutirait dans le domaine biphasique. Les solutions techniques pour réaliser cette surchauffe sont les mêmes que pour la machine motrice (résistance électrique, échange avec la source chaude à et ne sont pas représentées dans la figure 7. Le dispositif d'introduction du fluide de travail GT dans l'évaporateur est 35 adapté pour que GT soit introduit à l'état liquide dans l'évaporateur mais après que le liquide saturé (point 3 du diagramme de Mollier, figure 8) se soit détendu, et donc B0956FR 2929381 30 en occupant plus de volume et avec pan ciel gazeux au dessus du liquide res':ant (point 4 du diagramme de Mollier, figure 8). Une solution, parmi d'autres envisageables, consiste à introduire un tube d'aspiration flexible avec son extrémité aspirante fixée sur un flotteur dans ABCD et juste sous la ligne de flottaison. L'ence,nte 5 ABCD doit être placée au dessus du niveau de liquide de GT dans l'évaporateur (comme représenté sur la figure 7) et au dessus de CT et CT' de façon à ce que l'évacuation, soit de GT liquide, soit de LT dans un réservoir ou l'autre puisse se faire par gravité. Le cycle de Carnot modifié récepteur est constitué par 4 phases successives io débutant respectivement aux instants ta, tY, ts et tx. Seul le cycle 1-2vs-3-4-5-1 est décrit ci-dessous car la variante avec le point "lvs" n'apporte aucune modification de principe. À partir d'un état initial dans lequel tous les circuits de communication du fluide de travail GT et du liquide de transfert LT sont obturés, à l'instant t0, on 15 actionne la pompe hydraulique PH, puis on soumet GT à une succession de cycles de Carnot modifiés, chacun desquels comprenant les étapes suivantes : Phase ah À l'instant précédant immédiatement ta, le niveau de LT est haut (noté H) dans ABCD et le cylindre CT, et bas (noté B) dans le cylindre CT'. Au même 20 instant, la pression de vapeur saturante de GT a une valeur haute Ph dans ABCD, Cond et CT, et une valeur basse Pb dans Evap et CT'. C'est cet instant du cycle qui est représenté schématiquement dans la configuration de la figure 7. À l'instant ta, on ouvre les électrovannes EV,, EVb et EVb,. La détente isentropique de GT à l'état de mélange liquide/vapeur (mais avec une teneur 25 massique de vapeur quasi nul) dans AECD refoule LT à travers PH. Simultanément la très faible quantité de vapeur saturée et le liquide de transfert LT contenus dans CT suivent la même évolution de pression ce qui, compte tenu de la faible quantité de vapeur, ne s'accompagne pas d'une variation significative de niveau de LT dans CT. Le liquide de transfert LT en aval de PH comprime isentropiquement les 30 vapeurs de GT contenues dans CT'. Les pressions à l'amont et l'aval de la pompe PH s'équilibrent à l'instant tp. Entre ta et tp il n'y a théoriquement aucune consommat:.on nette de travail fourni par la pompe PH. La durée tp-ta est courte car il n'y a durant cette étape aucun transfert de chaleur. À l'instant tp, on ouvre les électrovannes EV1 et: EV4. Les conséquences 35 sont: B0956FR 2929381 31 suite à l'ouverture de EV1, la vapeur saturée de GT sortant de l'évaporateur à Ph, pénètre dans CT et refoule le liquide de transfert LT à un niveau intermédiaire (noté J). Ce liquide est aspiré et pressurisé par la pompe PH, ce qui consomme du travail net fourni par l'extérieur. En sortie de la pompe. LT 5 est refoulé vers le cylindre CT' (jusqu'au niveau I) ce qui permet de finir la compression isentropique de GT jusqu'à la pression Ph. suite à l'ouverture de EV4, le fluide de travail GT à l'état de liquide saturé 2t à basse pression Pb s'écoule par gravité dans l'évaporateur Evap, ce qui fait plus que compenser en masse la sortie de GT gazeux vers CT. Io Durant cette phase ah les transformations suivantes ont été réalisées : la transformation 3 ù> 4 dans ABCD; la transformation 4 ù> 5 dans l'ensemble EvapùCT; la transformation 1 2,, dans CT'. La compression est isentropique et on suppose qu'avec le fluide GT utilisé elle aboutit dans le domaine de la vapeur 15 surchauffée. D'un point de vu énergétique, durant cette phase aPy, de la chaleur Q45 a été pompée au niveau de l'évaporateur à Tb et un travail Wapy a également été consommé par la pompe PH. Ce travail a été fourni par l'extérieur à puissance croissante à partir de tp puisque la pression en amont de la pompe reste quasi constante 20 (=Pb) à partir de cet instant tandis que la pression en aval augmente de jusqu'à Ph. Phase y8 À l'instant tr, c'est-à-dire lorsque le niveau de LT a atteint les valeurs prédéfinies (B dans ABCD, J dans CT et I dans CT'), on laisse EV1, EVb et EVi; ouvertes et simultanément on ouvre les électrovannes EV2,, EV3 et EV;. Il en résulte 25 que la vapeur de GT continue à être produite dans l'évaporateur, à s'expanser dans CT (transformation 5 -* 1), ce qui refoule toujours le liquide de transfert aspiré par la pompe dans le cylindre CT' cette fois connecté au condenseur. Les vapeurs de GT contenues dans CT' se désurchauffent (en partie dans CT') et se condensent totalement dans le condenseur (transformation 2,,5 --> 3) où elles ne s'accumulent pas 30 car elles sont évacuées par gravité vers ABCD. Parallèlement, une partie du liquide de transfert LT en sortie de la pompe est refoulée vers ABCD pour y rétablir le niveau haut de LT. D'un point de vu énergétique, durant cette phase 4, de la chaleur Q51 est pompée au niveau de l'évaporateur à TE, de la chaleur Q23 est relâchée au niveau du 35 condenseur à Th (avec Th > Tb) ce qui nécessite un travail Wy8 fourni par l'extérieur. B0956FR 2929381 32 Ce travail est à puissance quasi constante puisque les pressions en amont et aval de la pompe sont également pratiquement constantes (avec des échangeurs de chaleur non limitants au niveau du condenseur et de l'évaporateur). À l'instant ta on se trouve à la moitié du cycle. L'autre moitié est symétrique : 5 l'évaporateur, le condenseur et l'enceinte ABCD sont le siège des mêmes transformations successives, tandis que les rôles des enceintes CT et CT' sont intervertis. Phase ôcX (entre les instants ta et ta) et phase 2 a (entre les instants tx et tai_ Elles sont équivalentes respectivement à la phase ah et à la phase y6, niais avec interversion des enceintes de transfert CT et CT'. io Plus particulièrement : à l'instant ta, on ferme tous les circuits ouverts à l'instant ty, on ouvre les circuits de LT permettant le transfert de LT (par EVr) d'une part depuis l'enceinte A13CD vers l'amont de la pompe hydraulique PH, et d'autre part depuis CT' vers CT en passant par la pompe hydraulique PH (par EVb, et 15 EVh), de sorte que : * GT à l'état d'équilibre liquide/vapeur dans ABCD et dans CT' se détend de la pression haute Ph à la pression basse Pb et refoule LT à travers PH dans CT; * les vapeurs de GT contenues dans CT sont comprimées adiabatiquement. 20 - à l'instant tE, on ouvre le circuit de GT entre Evap et CT' (par EV 1) d'une part, entre ABCD et Evap (par EV4) d'autre part, de sorte que : * LT est aspiré par la pompe PH qui le pressurise et le refoule dans CT ; * les niveaux de LT dans ABCD, CT et CT' passent respectivement de haut à bas, bas à un niveau intermédiaire I, et haut à un niveau intermédiaire 25 J , * du fait que le volume occupé par les vapeurs de GT dans CT' augmente, GT s'évapore dans Evap et la vapeur saturée de GT sortant de Evap a la pression faible Pb pénètre dans CT' ; * les vapeurs de GT contenues dans CT continuent à être comprimées 30 adiabatiquement jusqu'à la pression haute Ph ; * GT à l'état de liquide saturé à la pression basse Pb s'écoule par gravité de ABCD vers Evap ; à l'instant t2, on ferme le circuit de GT entre ABCD et Evap (par EV4) , on ferme le circuit de LT entre ABCD et l'amont de la pompe PH (par EVr) , on 35 ouvre le circuit de GT entre CT et Cond (par EV2) d'une part, entre Cond et B0956FR 2929381 33 ABCD (par EV3) d'autre part, et on ouvre le circuit de LT entre l'aval dis la pompe PH et ABCD par (EV,), de sorte que : * LT est encore aspiré par la pompe PH qui le pressurise et le refoule dans CT; 5 * les niveaux de LT dans ABCD, CT et CT' passent respectivement de bas à haut, du niveau intermédiaire I à haut, et du niveau intermédiaire J à bas; * du fait que le volume occupé par les vapeurs de GT dans CT' continue à augmenter, GT s'évapore dans Evap et la vapeur saturée de GT sortant de to Evap à la pression faible Pb pénètre dans CT'; * les vapeurs de GT contenues dans CT, à haute pression Ph, sont refoulées par LT et se condensent dans Cond; * GT à l'état de liquide saturé s'écoule par gravité de Cond vers ABCD. Après plusieurs cycles, l'installation fonctionne à un régime permanent. 15 Pour la production de froid, à l'état initial, GT est maintenu clans le condenseur Cond à haute température par échange de chaleur avec le puits chaud à Th, et dans l'évaporateur Evap à une température inférieure ou égale à Th par échange de chaleur avec un milieu externe à la machine, ledit milieu ayant initialement une température Th. En régime permanent, un travail net est consommé 20 par la pompe hydraulique PH, le condenseur Cond évacue en continu de la chaleur vers le puits chaud à haute température Th, et de la chaleur est consommée en continu par l'évaporateur Evap, avec production de froid vers le milieu extérieur en contact avec ledit évaporateur Evap, la température Tb dudit milieu extérieur étant inférieure strictement à Th. 25 Pour la production de chaleur, à l'état initial, GT est maintenu dans l'évaporateur Evap à basse température par échange de chaleur avec la source froide à Tb, GT est maintenu dans le condenseur Cond à une température Th > Tb par échange de chaleur avec un milieu externe à la machine, ledit milieu ayant initialement une température > Th. En régime permanent, un travail net est 30 consommé par la pompe hydraulique PH, la source froide à Tb apporte de la chaleur en continu à l'évaporateur Evap, le condenseur Cond évacue en continu de la chaleur vers le puits chaud, l'installation produisant de la chaleur vers le milieu extérieur en contact avec ledit condenseur Cond, le milieu extérieur ayant une température Th > 35 À l'issue de la phase la machine de Carnot modifiée réceptrice du 2eme type se retrouve à l'état a du cycle. Les diverses transformations thermodynamiques B0956FR 2929381 34 suivies par le fluide GT, et les niveaux du liquide de transfert LT sont résumés dans le tableau 7. L'état des électrovannes est résumé dans le tableau 8, dans lequel "x" signifie que la vanne correspondante est ouverte. Tableau 7 Étape Transformation Lieu Niveau de LT CT CT' ABCD aRY 3->4 ABCD H -->J B -1 H --- B 4 -> 5 Evap + CT 1 --j 2vs CT ' yS 5->1 Evap+CT J ->B I-+H B-->H 2vs -* 3 CT ' + Cond + ABCD S�~, 3-->4 ABCD B-+1 H-->J H -->B 4 -> 5 Evap + CT ' 1 --> 2vs CT 5->1 Evap+CT' I -* H J ->B B -- H vs --> 3 CT + Cond + ABCD 5 Tableau 8 Électrovannes ouvertes Étape EV1 EV1 EV2 EV2. EV3 EV4 EVb EVh EVb. EVh. EV, EV, aRy x (à tp) x (à tp) x x x yS x x x x x x 3E2v x (à t) x (à t6) x x x x x x x x x La consommation de travail est continue pendant la durée du cycle (hormis entre les instants la et tp d'une part, ts et tg d'autre part), mais pas toujours à puissance constante dans la mesure ois la différence de pression aux bornes de la pompe hydraulique peut varier. Bien entendu, la puissance moyenne sur un cycle to reste constante d'un cycle à l'autre, lorsqu'un régime permanent de fonctionnement est atteint et si les températures Th et Tb restent constantes. Par ailleurs, le condenseur est isolé du reste du circuit pendant les phases ah et 8cX alors que l'évacuation de chaleur au niveau du puits chaud à Th est a priori continue. Dans ces conditions il y aura durant ces phases d'isolement une chute en température et donc B0956FR 2929381 35 en pression dans le condenseur puis une brusque remontée aux instants t, et t,, de réouverture des vannes EV2 ou EV2.. Le liquide de transfert LT étant incompressible, les variations de niveau qui interviennent simultanément dans les trois enceintes ABCD, CT et CT' ne sont pas 5 indépendantes. Par ailleurs ces variations de niveau de LT résultent ou impliquent des variations concomitantes de volume du fluide GT. Cela se traduit par l'équarion suivante entre les volumes massiques de GT à différents stades du cycle représenté sur la Figure 8 : V5 ù V3 = V1 -- V2vs (eq. 2) 10 v, étant le volume massique de GT à l'état thermodynamique du point "i", "i" étant respectivement les points 5, 3, 1 et 2,,s. Des exemples de courbe à volume massique constant sont représentés en trait mixte dans la figure 8. A la différence du cycle de Carnot modifié moteur de 2eme type, il n'existe pas ici de limite à l'écart en température entre la source froide à Tb et le puits chaud 15 à Th. Comme le volume massique au point "3" est toujours le plus faible du cycle, on a toujours, quelque soit Th et Tb, la double inégalité suivante : V4 4 Entre Cond et Evap Fi-->J Bù>I 4 ù> 5 Evap + CT 1ù>2S CT' RY 5 ù> 1 Evap + CT J-->B Iù>H 2V5->2ç,-->3 CT + Cond Yg 3 --> 4 Entre Cond et Evap Bù>l HùJ 4 ù> 5 Évap + CT ' 1->2v. CT Sa 5 --> 1 Evap + CT ' Iù>H J-->13 Vs 29 ù> 3 CT + Cond Tableau 10 Électrovannes ouvertes Étape EV1 EV1, EV2 EV2, EV3 EVb EVh EVh. EVh. a(3 x x x x RY x K x x x x x x x Sa x x x x x Les étapes du cycle de Carnot modifié récepteur du 1" type sont détaillées ci-dessous dans la mesure où elles diffèrent de celles décrites ci-dessus pour le cycle 5 de Carnot modifié récepteur du 2ème type. A partir d'un état initial dans lequel tous les circuits de communication du fluide de travail GT et du liquide de transfert LT sont obturés, l'instant to, on actionne la pompe hydraulique PH et ouvre le circuit de GT entre Cond et Evap (par EV3), et l'on soumet GT à une succession de cycles de Carnot modifiés, chacun > o desquels comprenant les étapes suivantes : Phase a13 (entre les instants ta et te) : À l'instant précédant immédiatement ta, le niveau de LT est haut (noté H) dans le cylindre CT, et bas (noté B) dans le cylindre CT'. Au même instant. la pression de vapeur saturante de GT a une valeur haute Ph dans Cond et CT, et une B0956FR 2929381 37 valeur basse Pb dans Evap et CT'. C'est cet instant du cycle qui est représenté schématiquement à la figure 9. À l'instant ta,, l'ouverture des électrovannes EV1, EV3 , EVb et EVh' a pour conséquences: 5 La vapeur saturée de GT sortant de l'évaporateur à Pb, pénètre dans CT et refoule le liquide de transfert LT à un niveau intermédiaire (noté J). LT est aspiré par la pompe PH qui le pressurise ce qui consomme du travail. Après avoir été pressurisé par PH, le liquide de transfert LT est refoulé dans CT'. Dans CT', LT passe du niveau bas au niveau intermédiaire (noté I) et to comprime de façon isentropique les vapeurs de GT contenues dans cette enceinte. suite à l'ouverture de EV3, le fluide de travail GT à l'état de liquide saturé et à haute pression Ph est détendu par la vanne VD puis introduit à l'état de mélange biphasique dans l'évaporateur Evap, ce qui compense en masse la 15 sortie de GT gazeux vers CT. Sur le diagramme de Mollier (figure 10), cette étape correspond eux transformations simultanées suivantes: la transformation 3 -> 4 entre Cond et Evap; la transformation 4 -+ 5 dans l'ensemble Evap-CT; 20 - la transformation 1 -> 2,,5 dans CT'. Comme précédemment, le fluide de travail GT retenu est supposé aboutir à l'issue de cette transformation isentropique dans le domaine de vapeur surchauffée. D'un point de vu énergétique, durant cette phase agi, de la chaleur Q45 a été pompée au niveau de l'évaporateur à Tb et un travail Wap a également été 25 consommé par la pompe PH. Ce travail a été fourni par l'extérieur à puissance croissante puisque la pression en amont de la pompe reste quasi constante (=Pb) tandis que la pression en aval augmente de jusqu'à Ph. Phase J3y (entre les instants te et ty) : À l'instant tR, c'est-à-dire lorsque le niveau de LT a atteint les valeurs 30 prédéfinies (J dans CT et I dans CT'), on laisse EV1, EV3, EVb et EVh, ouvertes et on ouvre l'électrovanne EV2,. Il en résulte que la vapeur de GT continue à être produite dans l'évaporateur, à s'expanser dans CT (transformation 5-+ 1), ce qui refoule toujours le liquide de transfert aspiré par la pompe dans le cylindre CT' cette fois connecté au condenseur. Les vapeurs de GT contenues dans CT' se désurchauffent 35 (soit la transformation 2s -+2g en partie dans CT') et se condensent totalement dans B0956FR 2929381 38 le condenseur (transformation 2,,S*2g-*3). Le fluide GT à l'état de liquide saturé est détendu par VD et introduit dans l'évaporateur. D'un point de vu énergétique, durant cette phase (3y, de la chaleur Q51 est pompée au niveau de l'évaporateur à Tb, de la chaleur Q23 est relâchée au niveau du 5 condenseur à Th (avec Th > Tb) ce qui nécessite un travail Wys fourni par l'extérieur. Ce travail est à puissance quasi constante puisque les pressions en amont et aval de la pompe sont également pratiquement: constantes (avec des échangeurs de chaleur non limitants au niveau du condenseur et de l'évaporateur). À l'instant ty on se trouve à la moitié du cycle. L'autre moitié est symétrique : io l'évaporateur, le condenseur sont le siège des mêmes transformations successives, tandis que les rôles des enceintes CT et CT' sont intervertis. Phase y8 (entre les instants ty et tg) et phase 8a (entre les instants ts et tà : Elles sont équivalentes respectivement à la phase a(3 et à la phase iiy, niais avec interversion des enceintes de transfert CT et CT'. 15 Plus particulièrement : à l'instant t3,, on ferme tous les circuits ouverts à l'instant tp, excepté le circuit de GT entre Cond et Evap, on ouvre (par EVb, et EVh) le circuit de LT permettant le transfert de LT depuis CT' vers CT en passant par la pompe hydraulique PH, et on ouvre (par EV1,) le circuit de GT entre Evap et CT'.. de 20 sorte que : * LT est aspiré par la pompe PH qui le pressurise et le refoule dans CT ; * le niveau de LT dans CT passe de bas à un niveau intermédiaire I, et dans CT' de haut à un niveau intermédiaire J ; * le volume occupé par les vapeurs de GT dans CT' augmentant, le fluide 25 de travail GT s'évapore dans Evap et la vapeur saturée de GT sortant de Evap à la pression faible Pb pénètre dans CT' ; * les vapeurs de GT contenues dans CT sont comprimées adiabatiquement jusqu'à la pression haute Ph ; * GT à l'état de liquide saturé ou sous-refroidi dans Cond et à la pression 30 haute Ph se détend de façon isenthalpique et est introduit à l'état de mélange biphasique liquide/vapeur et à la pression basse Pb dans l'évaporateur Evap ; à l'instant tg, on ouvre le circuit de GT entre CT et Cond (par EV2) , de sorte que : B0956FR 2929381 39 * LT est encore aspiré par la pompe PH qui le pressurise et le refoule dans CT, * le niveau de LT dans CT passe du niveau intermédiaire I à haut, et dans CT' du niveau intermédiaire J à bas ; s * du fait que le volume occupé par les vapeurs de GT dans CT' continue à augmenter, GT s'évapore dans Evap et la vapeur saturée de GT sortant: de Evap à la pression faible Pb pénètre dans CT' ; * les vapeurs de GT contenues dans CT, à haute pression Pb, sont refoulées par LT et se condensent dans Cond ; to Après plusieurs cycles, l'installation fonctionne à un régime permanent. Pour la production de froid : à l'état initial, GT est maintenu dans le condenseur Cond à haute température par échange de chaleur avec le puits chaud à Th, et dans l'évaporateur Evap à une température inférieure ou égale à Th par échange de chaleur avec un milieu externe à la machine, ledit milieu ayant fini- 15 tialement une température inférieure ou égale à Th ; et en régime permanent, un travail net est consommé par la pompe hydraulique PH, le condenseur Cond évacue en continu de la chaleur vers le puits chaud à haute température Th, et de la chaleur est consommée en continu par l'évaporateur Evap, c'est-à-dire qu'il y a une production de froid vers le milieu extérieur en contact avec ledit évaporateur Evap, la 20 température Tb dudit milieu extérieur étant inférieure strictement à Th. Pour la production de chaleur : à l'état initial, GT est maintenu dans l'évaporateur Evap à basse température par échange de chaleur avec la source froide à Tb, dans le condenseur Cond à une température supérieure ou égale à Th par échange de chaleur avec un milieu externe à l'installation à une température 25 supérieure ou égale à Th ; et en régime permanent, un travail net est consommé par la pompe hydraulique PH, la source froide à Tb apporte (le la chaleur en continu à Evap, et Cond évacue en continu de la chaleur vers le puits chaud, c'est-à-dire qu'il y a une production de chaleur vers le milieu extérieur en contact avec Cond. la température Th dudit milieu extérieur étant supérieure strictement à Tb. 30 Dans cette configuration (dite réceptrice de 1e` type), l'équation (2) et l'inéquation (2) liant les volumes massiques de GT dans les différentes étapes du cycle sont toujours valables. La machine de Carnot modifiée réceptrice de ter type est plus simple dans son fonctionnement et comprend moins d'éléments constitutifs. Toutefois, comme 35 pour un cycle classique à compression mécanique de vapeur, les transformations B0956FR 2929381 40 3ù4 et 2,s ù>2g génèrent quelques irréversibilités, ce qui a un effet défavorable sur les coefficients de performance ou d'amplification du cycle. Néanmoins comme cette dégradation est modérée, cette configuration de 1er type est préférée pour la machine de Carnot modifiée réceptrice. En effet bien que cette machine de Carnot 5 modifiée réceptrice de ter type se rapproche des machines classiques à compression mécanique de vapeur, elle garde encore deux avantages décisifs: l'étape de compression adiabatique (1ù>2,,5) a un rendement de compression isentropique supérieur, elle est moins bruyante et plus fiable ; la même machine, moyennant des adaptations légères pourra fonctionner en ~o mode moteur ce qui n'est pas possible avec les machines de l'art antérieur. Le choix de l'un ou l'autre type de machine réceptrice sera effectué en fonction des moyens dont on dispose, notamment de la température de la source et du puits de chaleur, et du fluide de travail GT, et du résultat visé. Une même machine de Carnot modifiée peut assurer alternativement, selon le 15 choix de l'utilisateur, soit la fonction de moteur, soit la fonction de récepteur. Dans ce cas, ladite machine de Carnot modifiée sera qualifiée "polyvalente". Cette possibilité implique que la machine possède les éléments constitutifs nécessaires pour satisfaire chacun des deux modes de fonctionnement (moteur ou récepteur) comme décrit précédemment et des éléments supplémentaires permettant de com- 20 muter d'un mode sur l'autre, les deux modes ne pouvant fonctionner simultanément. De nombreux éléments constitutifs nécessaires à chaque mode peuvent être identiques; il s'agit des éléments Cond, Evap, CT, CT', la plupart des vannes commandées et certaines parties des circuits de GT et LT. Il est donc inutile de dupliquer ces éléments dans la machine de Carnot modifiée polyvalente. D'autres 25 éléments sont spécifiques d'un mode. Par exemple le dispositif DPD associant l'enceinte ABCD et les électrovannes EV3 et EV4, tel que décrit dans la figure 2, permet le fonctionnement en mode moteur de 2ème type mais pas le fonctionnement en mode récepteur de 2ème type , tel que décrit dans la figure 7. La réciproque n'est pas vraie: le dispositif DPD associant ['enceinte ABCD et les électrovannes EV3 et 30 EV4, tel que décrit dans la figure 7, permet le fonctionnement en mode récepteur de 2ème type ou moteur de 2ème type. Un deuxième exemple d'incompatibilité d'usage dans les deux modes concerne encore les dispositifs DPD mais pour les machines de Carnot modifiées de lei type: la pompe hydraulique auxiliaire PHA1 (figure 5) ne peut pas assurer la fonction de détente du fluide de travail comme la vanne de 35 détente VD ou le capillaire C (figure 9) et vice-versa. De la même façor.. le convertisseur hydraulique est soit une pompe soit un moteur. Il existe toutefois des B0956FR 2929381 41 convertisseurs qui peuvent assurer les deux fonctions selon le sens de circulation du fluide. La figure Il représente schématiquement une machine de Carnot modifiée polyvalente pouvant assurer au choix de l'utilisateur soit la fonction de machine de 5 Carnot modifiée motrice de ter type, soit la fonction de machine de Carnot modifiée réceptrice de ter type. Les trois autres combinaisons des cieux types sont également possibles : motrice et réceptrice de 2èrne type, motrice de 1 er type et réceptrice de 2èrne type, motrice de 2èrne type et réceptrice de ler type. La sélection du mode de fonctionnement (moteur ou récepteur) rie nécessite pas de moyens sophistiqués. Par lo exemple, dans la figure 11, les électrovannes EV3M et EV3R sont ouverte et fermée (respectivement fermée et ouverte) si le mode moteur est sélectionné (respectivement le mode récepteur). Ces deux électrovannes EV3M et EV3R peuvent être remplacées par une vanne trois voies. Enfin, toujours sur cet exemple de la figure 11, la pompe hydraulique et le moteur hydraulique sont considérés comme deux 15 convertisseurs hydrauliques distincts; selon le mode sélectionné de fonctionnement, moteur ou récepteur, l'un ou l'autre des convertisseurs est actif en fonction de l'ouverture de l'électrovanne trois voies EVRM, la dite EVRM pouvant être remplacée par deux électrovannes deux voies ou tout autre actionneur sur le circuit du liquide de transfert. 20 Dans un mode de réalisation particulier, une machine de Carnot modifiée peut être couplée avec un dispositif complémentaire, par un couplage thermique ou par un couplage mécanique. Une machine de Carnot modifiée motrice ou réceptrice selon l'invention peut être couplée thermiquement au niveau de son condenseur et/ou de son évaporateur à 25 un dispositif complémentaire. Le couplage thermique peut être effectué par l'intermédiaire d'un fluide caloporteur ou d'un caloduc, ou par contact direct ou par rayonnement. Le dispositif complémentaire peut être une machine thermodynamique motri- ce ou réceptrice. Les deux cas les plus intéressants concernent le couplage d'une 30 machine de Carnot modifiée motrice et d'une machine thermodynamique motrice ou le couplage d'une machine de Carnot modifiée réceptrice et d'une machine thermo- dynamique réceptrice. Dans les deux cas la machine thermodynamique (motrice ou réceptrice) reçoit de la chaleur du condenseur de la machine de Carnot modifiée (respectivement motrice ou réceptrice) ou donne de la chaleur à l'évaporateur de la 35 machine de Carnot modifiée (respectivement motrice ou réceptrice). Lesdites nia- chines thermodynamiques motrice ou réceptrice peuvent être une 2èrne machine de B0956FR 2929381 42 Carnot modifiée motrice (du 1" type ou du 2ème type) ou réceptrice différente de la première (du 1 er type ou du 2ème type). Un mode de réalisation d'un couplage thermique entre deux machines de Carnot modifiées motrices est illustré schématiquement sur les figures 12a et 12b. 5 La figure 12a représente les niveaux de température des sources et puits de chaleur et le sens des échanges de chaleur et de travail entre les machines ou avec l'environnement. Une première machine dite haute température (HT) fonctionne entre une source de chaleur à la température Th et un puits de chaleur z. la température intermédiaire Tml, et elle contient un fluide de travail GT1. Une seconde Io machine, dite basse température (BT) fonctionne entre une source de chaleur à fm2 et un puits de chaleur à la température Tb, et elle contient un fluide de travail GT2. Les températures sont telles que Th>Tml>Tm2>Tb>Tambiante• Si les transferts de chaleur au niveau du condenseur de la machine HT et de l'évaporateur de la machine BT sont infiniment efficaces (en raison d'une surface d'échange et/ou de 15 coefficients d'échange infinis) les température Tml et Tm2 sont pratiquement égales. Dans tous les cas, dans cette association dite "en cascade thermique", la quantité de chaleur Qh est fournie à la machine HT à la température Th pour l'évaporation du fluide GT1, la quantité de chaleur 11,1 libérée par la condensation de GTi dans le condenseur de la machine HT à la température Tm' est transférée entièrement (Qr,l = 20 Qm2) ou partiellement (Qrni > Qm2) à l'évaporateur de la machine BT pour l'évaporation du fluide GT2 à la température Tm2 et la chaleur Qb produite z. la température Tb par la condensation du fluide GT2 est transmise à l'environnement. Lorsque seule la production de travail est recherchée, le transfert de chaleur entre la source à Tml et le puits à Tm2 est intégral, c'est-à-dire qu'il y a égalité de Qml et Qm2, 25 noté simplement Qrn dans ce cas. Lorsque l'on cherche une cogénération de travail et de chaleur à un niveau de température suffisant tel que Tm1, alors le transfert de chaleur entre la source à Tm1 et le puits à Tm2 est partiel, c'est-à-dire que Qml est supérieur à Qm2 et que la différence est délivrée à l'utilisateur. Éventuellement les fluides de travail GT1 et GT2 peuvent être identiques. 30 Parallèlement, les quantités de travail W1 et W2 sont fournies respectivement par la machine HT et la machine BT. Le rendement global ((W1+W2)/Qh) de l'association en cascade des deux machines modifiées motrices n'est pas nécessairement égal, mais plutôt inférieur, en général, à celui d'une machine de Carnot modifiée motrice seule fonctionnant entre les mêmes températures extrêmes Th et Tb représentée 35 schématiquement sur la figure 12b. En fait, ces deux rendements sont égaux à. la quadruple condition que les deux machines de Carnot modifiées soient de 2ème type, B0956FR 2929381 43 fonctionnent idéalement, c'est-à-dire sans irréversibilités, que les températures Tml et T,,,2 soient confondues et qu'il y ait récupération intégrale de chaleur = (?m2) à cette température intermédiaire Tm. L'association en cascade thermique de machines de Carnot modifiées motri-5 ces peut impliquer des machines de mêmes types (ler ou 2e`ne) ou de types différents. Un 1er avantage de l'association en cascade de deux machines de Carnot modifiées motrices de 2ème type réside dans le fait que l'amplitude de température Th-Tb n'est plus limitée comme lors de l'utilisation d'une seule machine de Carnot modifiée motrice de 2ème type (dû à la condition sur les volumes massiques exprimée par t o l'équation (1)). De ce fait le rendement global de l'association en cascade peut toujours devenir supérieur à celui de la machine seule lorsque l'écart (Th-Tb) de ladite association devient supérieur à l'écart maximal permis pour ladite machine seule. Un 2ème avantage de l'association en cascade de deux machines de Carnot modifiées motrices,, de ler ou de 2ème type, est que l'amplitude de pression de chacun 15 des fluides de travail GT1 et GT2 est plus faible que celle du fluide de travail de l'unique machine de Carnot modifiée motrice (de 1 er ou de 2ème type) fonctionnant entre les mêmes températures extrêmes Th et Tb. Un couplage en cascade peut être effectué à l'aide de plus de deux machines de Carnot modifiées motrices, selon le même principe. La 1 ère machine est 20 alimentée en chaleur à la température la plus élevée Th pour l'évaporation d'un fluide de travail, et la dernière machine de la cascade libère vers l'environnemenr,, la chaleur générée par la condensation à la température la plus faible Tb, Tb étant néanmoins supérieure à la température dudit environnement. Entre ces deux machines extrêmes, chaque machine intermédiaire reçoit la chaleur libérée par la 25 condensation du fluide de travail de la machine que la précède, et transfère la chaleur libérée par la condensation de son propre fluide de travail à la machine qui la suit. Chaque machine fournit une quantité de travail à l'environnement. Deux machines de Carnot modifiées réceptrices peuvent être couplées en cascade d'une manière analogue à celle décrite ci-dessus pour les machines 30 motrices. Les flux de travail et de chaleur sont en sens inverse de ceux représentés à la figure 12a. L'association en cascade de deux machines de Carnot modifiées réceptrices présente l'avantage non négligeable d'une réduction de l'amplitude de pression de chacun des fluides de travail GT1 et GT2 par rapport à celle du fluide de travail B0956FR 2929381 44 constatée dans une machine de Carnot modifiée réceptrice unique, qu'elle soit de ter ou de 2ème type, et fonctionnant entre les mêmes températures extrêmes Tb et Th. Une machine de Carnot modifiée selon l'invention peut être couplée mécaniquement à un dispositif complémentaire au niveau du moteur hydraulique si 5 la machine est motrice ou de la pompe hydraulique si la machine est réceptrice. Le couplage mécanique peut être effectué par l'intermédiaire par exemple d'une courroie, d'un cardan, d'un embrayage magnétique ou pas, ou directement sur l'arbre du moteur hydraulique ou de la pompe hydraulique. Le dispositif complémentaire peut être un dispositif moteur, par exemple un to moteur électrique, une turbine hydraulique, une éolienne., un moteur à essence, un moteur à gaz, un moteur diesel, ou autre machine de Carnot modifiée motrice. Le dispositif complémentaire peut être un dispositif récepteur, par exeniple une pompe hydraulique, un véhicule de transport, un alternateur, une pompe à chaleur à compression mécanique de vapeur, un compresseur à air, ou une autre 15 machine de Carnot modifiée réceptrice. Le dispositif complémentaire peut en outre être un dispositif moteur-récepteur tel qu'un volant d'inertie par exemple. Un mode de réalisation particulièrement préféré de couplage mécanique consiste à coupler une machine de Carnot modifiée motrice et une machine de 20 Carnot modifiée réceptrice. Un ter mode de réalisation d'une installation comprenant une machine de Carnot modifiée motrice couplée mécaniquement à une machine de Carnot modifiée réceptrice, est représenté schématiquement sur la figure 13 avec les niveaux de température des sources et puits de chaleur et le sens des échanges de chaleur et de 25 travail. La machine motrice contient un fluide de travail G11. Elle reçoit une quantité de chaleur Qh à partir d'une source à la température Th, elle libère une quantité de chaleur QmM à une température T,,,M et un travail W. La température Th de la source est nécessairement supérieure à la température TmM du puits de chaleur. 30 La machine réceptrice contient un fluide de travail GT2. Elle libère une quantité de chaleur QmR à une température T,,,R. Elle reçoit une quantité de chaleur Qb à partir d'une source à la température Tb et le travail W libéré par la machine motrice. La température Tb de la source est nécessairement inférieure à la température T,,,R du puits de chaleur. B0956FR 2929381 45 Les deux applications principales visées par une telle association qui n'utilise comme seule source d'énergie que de la chaleur à Th, sont : la production de froid à Tb. Dans ce cas Tb d aboutit dans le domaine de la vapeur surchauffée niais 15 néanmoins très près de la courbe de saturation. L'irréversibilité est très faible. Le rendement 13 de ce cycle est de 12,49%, à comparer au 12,56% d'un cycle de Carnot parfait entre les mêmes températures. Avec une source de chaleur à The égale à 175°C et en association en cascade thermique avec le cycle précédent, le fluide de travail utilisé est le R718 et il décrit 20 le cycle e-f-g-h-e dans la figure 16. On note qu'avec ce fluide la détente adiabatique gù+h aboutit dans le domaine biphasique et n'induit donc aucune irréversibilité. Le rendement X12 de ce cycle se confond avec celui de Carnot et est donc de 16,7%. Enfin avec une source de chaleur à Thl égale à 275°C et en association en cascade thermique avec le cycle précédent, le fluide de travail utilisé est toujours le 25 R718 et il décrit le cycle a-b-c-d-a dans la figure 16. La détente adiabatique c-->d aboutit encore dans le domaine biphasique. Le rendement rl 1 de ce cycle est de 16,4%. L'association en cascade thermique de ces trois machines de Carnot modifiées motrices de 2ème type (figure 15a), avec des écarts de température 30 réalistes au niveau des transfert de chaleur entre les différentes machines, conduit au rendement global : r1 = (W1+W2+w3)/Qh = rit + 112.(1-111) 113.(1-112)(1-111) >1 = 39,10% soit 91% du rendement de la machine de Carnot fonctionnant entre les mêmes températures extrêmes. B0956FR 2929381 50 Ce rendement est meilleur que celui des centrales électriques nucléaires actuelles 34%) qui travaillent pourtant avec des vapeurs surchauffées à des températures bien supérieures (z 500°C). En outre la source de chaleur à Thl (=275°C) pourrait être apportée par des capteurs solaires cylindro-paraboliques. 5 Exemple 2 Association en cascade thermique de deux machines de Carnot modifiées motrices du 1" type Comme pour l'exemple précédent, l'objectif est de produire du travail (convertible en électricité) mais avec une machine plus simple en utilisant des assoeia- tions de machine de Carnot modifiées motrices de ter type. Les écarts en température de la source et du puits de chaleur ne sont plus limitées par la contrainte de l'égalité des volumes massiques du fluide de travail en sortie du condenseur et de l'évaporateur. Toutefois les écarts en pression trop importants génèrent d'au.res problèmes technologiques; ainsi en reprenant les mêmes source et puits de chaleur extrêmes (275°C et 40°C), il est préférable d'associer deux machines en cascade thermique plutôt que de réaliser une seule machine fonctionnant sur un écart aussi important. L'association en cascade thermique (figure 15b) consiste à coupler deux machines de Carnot modifiées motrice de ter type, la première utilise l'eau (R718) comme fluide travail et décrit le cycle i j-b-c-k-i de la figure 16, la seconde utilise le n-butane (R600) comme fluide travail et décrit le cycle e-f-b-c-d-e de la figure 1-/ . Les étapes j-+b et fù>b de ces deux cycles induisent des irréversibilités supplémentaires, mais les rendements des deux cycles restent néanmoins très satisfaisants (en comparaison des rendements de Carnot): lit = 27,47% pour le cycle avec le R718 et 112 == 10,82% pour le cycle avec le R600. Le rendement global de l'association en cascade thermique (figure 15b) de ces deux machines de Carnot modifiées motrices de ter type est: rl = (WI+W2)/Qh = 111 + 112.(1-111) soit ri = 35,32% (82% du rendement de la machine de Carnot fonctionnant entre les 30 mêmes températures extrêmes). Par rapport à l'exemple précédent, pour une dégradation assez faible du rendement (-3,78%) la simplification de la machine est relativement importante : deux machines en association au lieu de trois et surtout 1 er type plus simple que le 2ème B0956FR 2929381 51 Exemple 3 Machines de Carnot modifiées réceptrices du 2ème ou le` type L'objectif visé dans l'exemple 3 est le chauffage de l'habitat par des émetteurs (radiateurs ou plancher chauffant) à basse température. Une machine de Carnot 5 modifiée réceptrice fonctionnant entre 5 et 50°C est bien adaptée à cette application (Figure 15e). On compare les deux options possibles que constituent les machines du 2ème ou du ter type en utilisant comme fluide de travail le R600. Avec une machine de Carnot modifiée réceptrice de 2ème type le cycle décrit 10 est le cycle 1-2-3-4'-9-1 de la figure 17. Avec ce fluide si l'étape de compression adiabatique avait été réalisée à partir de la vapeur saturée, c'est-à-dire le point "9" de ce cycle, ledit fluide à la fin de cette étape aurait été dans le domaine biphasique, ce qui n'est pas un inconvénient. À titre d'illustration sur cet exemple on choisit de réaliser une légère surchauffe (c'est-à-dire l'étape 9-> 1) telle qu'il n'y ait que de la 15 vapeur saturée en fin de compression (point "2" du cycle). Cela implique pendant cette étape un apport de chaleur, par exemple au niveau des cylindres de transfert tel que cela est illustré à la figure 2 pour une machine de Carnot modifiée motrice. Le coefficient d'amplification de cette machine de Carnot modifiée réceptrice décrivant ce cycle est : 20 COA = Qh/W = 7,18 Ce COA est quasiment égal à celui de la machine de Carnot fonctionnant entre les mêmes températures extrêmes car l'irréversibilité engendrée par la surchauffe 9ù>1 est très faible. Toutefois la machine de 2ème type nécessite l'enceinte ABCD et les conne- 25 xions associées, ce qui a un coût et implique une gestion plus complexe du cycle. Avec une machine de Carnot modifiée réceptrice de 1 er type le cycle décrit est le cycle 1-2-3-4-9-1 de la figure 17. Le COA de cette machine de 1 er type est plus faible : COA = Qh/`7V = 6,06, soit 84% du COA de la machine de Carnot mais reste tout de même bien meilleur que les COA des machines actuelles à compression mécanique de vapeur fonctionnant entre les mêmes températures extrêmes. Exemple 4 Machine de Carnot modifiée réceptrice du 1 e1 type L'objectif visé dans l'exemple 4 est le rafraîchissement de l'habitat en été. B0956FR 2929381 52 Une machine de Carnot modifiée réceptrice du le` type fonctionnant entre 15 et 40°C est bien adaptée à cette application (Figure 15d). Le fluide de travail utilisé (R600) décrit le cycle 5-6-7-8-5 de la figure 17. Par rapport à l'exemple précédent, on choisit de ne pas réaliser de surchauffe avant l'étape de compression 5 isentropique. Le coefficient de performance de cette machine de Carnot modifiée réceptrice décrivant ce cycle est : COP = Qb/W = 10,33 soit 90% du COP de la machine de Carnot et surtout bien meilleur que les COP des machines actuelles à compression mécanique de vapeur fonctionnant entre les mêmes températures extrêmes. 1 o Exemple 5 Association en cascade thermique de deux machines de Carnot modifiées réceptrices du 1 er type L'objectif visé dans l'exemple 5 est la production frigorifique à basse température (pour la congélation). Même si l'écart en température entre la source et 15 le puits de chaleur n'est pas limité par une quelconque contrainte d'égalité des volumes massiques du fluide de travail, il est préférable qu'il n'y ait pas d'écart en pression trop important dans la machine car cela génère d'autres problèmes technologiques. Ainsi avec la source froide à -30°C et le puits chaud à 40°C, il est préférable d'associer deux machines en cascade thermique plutôt que de réaliser une 20 seule machine fonctionnant sur un écart aussi important. L'association en cascade thermique (voir figure 15e) consiste à coupler deux machines de Carnot modifiées réceptrices de 1e` type, la première utilise le R600 comme fluide travail et décrit le cycle 9-6-7-10-9 de la figure 17, la seconde utilise le R134a comme fluide travail et décrit le cycle 1-2-3-4-1 de la figure 18. 25 Le coefficient de performance global de l'association en cascade thermique de ces deux machines de Carnot modifiées réceptrices de ler type est: COP = Qb/(WI+W2) = 1/[1/COP2+(1+1/COP2)/COA1] COP = 2,85 soit 82% du COP de la machine de Carnot et surtout bien meilleur que les COP des machines actuelles à deux étages de compression 30 mécanique de vapeur fonctionnant entre les mêmes températures extrêmes. B0956FR 2929381 53 Exemple 6 Couplage mécanique d'une machine de Carnot modifiée motrice haute température de 1 er type et d'une machine de Carnot modifiée réceptrice basse température de 1 er type 5 L'objectif visé dans l'exemple 6 (figure 15f) est le rafraîchissement de l'habitat en été en n'utilisant comme source d'énergie que de la chaleur, par exemple issue de capteurs solaires. Pour cela on couple une première machine, la machine de Carnot modifiée motrice du ler type utilisant le fluide de travail R600 et décrite à l'exemple 2, et une deuxième machine, la machine de Carnot modifiée réceptrice du io 1er type décrite à l'exemple 4. Le coefficient de performance de cette association (figure 15f) est: COP = Qh/Qh = rh.COP2 == 1,29 soit 89% du COP de la machine de Carnot tritherme et surtout bien meilleur que les COP des systèmes trithermes à ad- ou absorption de l'art antérieur actuel fonctionnant entre les mêmes sources et puits de chaleur. 15 Exemple 7 Couplage mécanique d'une machine de Carnot modifiée motrice haute température de 1 er type et d'une machine de Carnot modifiée réceptrice basse température de er type Les objectifs visés dans l'exemple 7 (figure 15g) sont multiples: 20 - cogénération de travail convertible en électricité et de chaleur utile pour le chauffage (basse température) de l'habitat en hiver; - climatisation à "basse température" c'est-à-dire compatible avec les ventiloconvecteurs classiques pour les immeubles (bureau ou habitat collectif notamment). 25 dans tous les cas en n'utilisant comme source d'énergie que de la chaleu- à température accessible par une chaudière ou par des capteurs solaires de type cylindo-parabolique. Pour ces objectifs pratiques, on couple une première machine, la machine de Carnot modifiée motrice du ter type utilisant le fluide de travail le R718 qui décrit le 30 cycle 1-m-g-n-1 de la figure 16, et une deuxième machine, la machine de Carnot modifiée réceptrice du ler type décrite à l'exemple 3. B0956FR 2929381 54 Le rendement rh de la première machine est de 25,34% (soit 91% du rendement de Carnot) ce qui est bien supérieur au rendement actuel des capteurs solaires photovoltaïques. Si l'électricité n'est pas récupérée pour la machine réceptrice (figure 15g), la 5 production de chaleur Qml complète la production électrique, soit 24,66% de l'énergie incidente Qh alors que les cellules photovoltaïques, elles, ne délivrent pas de chaleur. Dans le cas contraire, c'est-à-dire pour les applications de chauffage seul et/ou de climatisation , les coefficients d'amplification et de performance de cette association sont reliés aux COP et rendement des 2 machines selon: COA = CO:?+1 10 = COP2.111+1 Soit respectivement COA = 2,28 (84% du COA de Carnot) et COP = 1,28 (74% du COA de Carnot). Exemple 8 Couplage mécanique d'une machine de Carnot modifiée motrice basse température 15 de 1' type et d'une machine de Carnot modifiée réceptrice haute température de l er type L'objectif visé dans l'exemple 8 (figure 15h) est la production de vapeur à moyenne pression (2 bars) en ayant comme seule source d'énergie de la chaleur à "basse température" (85°C) incompatible avec la production directe de ladite 20 vapeur. C'est un exemple parmi d'autres rencontrés classiquement sur des sites industriels où il existe des rejets de chaleur inutilisés et des besoins à des températures supérieures. Cet objectif de thermotransformation entre 85 et 120°C (susceptible de générer de la vapeur à 2 bars) peut être réalisé en couplant mécaniquement une 25 première machine, la machine de Carnot modifiée réceptrice du ter type, utilisant le R718, fonctionnant entre 85 et 120°C et décrivant le cycle 1-2-3-4-1 de la figure 16, et une deuxième machine, la machine de Carnot modifiée motrice du ter type, fonctionnant entre 85°C et 40°C (température supérieure à l'ambiance), utilisant le fluide de travail R600 et décrite à l'exemple 2. 30 Le coefficient de performance COP1 de la première machine (réceptrice) est de 9,14 (89% du COP de la machine ditherme de Carnot). On note qu'avec l' eau comme fluide de travail la vapeur en fin d'étape de compression isentropique est très surchauffée (T2 = 208°C � 120°C;). B0956FR 2929381 55 Le coefficient de performance global de l'association (figure 15h) des deux machines vérifie : COP = Qh/(Qm1+Q,,,2)=(COP1 +1)/(COP1+1/112) Soit avec ces températures de la source et des puits: COP = 55,2% (89% du 5 COP de la machine tritherme de Carnot). Les différents exemples décrits ci-dessus confirment qu'un même fluide de travail peut être utilisé en tant que fluide moteur, ou en tant que fluide récepteur, suivant l'installation et le but recherché. Le n-butane (R600) décrit un cycle moteur de 1 er type dans l'exemple 2 10 (figure 15b) et un cycle récepteur de 1" type dans l'exemple 7 (figure 15g) et la machine de Carnot modifiée respectivement motrice ou réceptrice qui utilise ce fluide R600 est associée dans ces deux exemples à une autre machine de Carnot, motrice en l'occurrence, qui utilise l'eau (R718) comme fluide de travail. On en déduit par conséquent qu'une installation selon la présente invention peut 15 comprendre une machine de Carnot motrice de 1e` type (avec le R718 comme fluide de travail) couplée à une machine de Carnot modifiée polyvalente_(telle que celle décrite à la figure 11 et avec le R600 comme fluide de travail) et qu'une telle installation peut être mise en oeuvre pour des applications aussi différentes que celle qui est visée à l'exemple 2, et celle qui est visée à l'exemple 7. B0956FR REVENDICATIONS1. Installation pour la production de froid, de chaleur ou de travail, comprenant au moins une machine de Carnot modifiée constituée par : a) Un 1e` ensemble qui comprend un évaporateur Evap associé à une source de chaleur, un condenseur Cond associé à un puits de chaleur, un dispositif DPD de pressurisation ou de détente d'un fluide de travail GT, des moyens de transfert du fluide de travail GT entre le condenseur Cond et DPD, et entre l'évaporateur Evap et DPD ; b) Un 2ème ensemble qui comprend deux enceintes de transfert CT et CT' qui contiennent un liquide de transfert LT et le fluide de travail GT sous forme de 10 liquide et/ou de vapeur ; c) des moyens de transfert sélectif du fluide de travail GT entre le condenseur Cond et chacune des enceintes de transfert CT et CT' d'une part, entre l'évaporateur Evap et chacune des enceintes de transfert CT et CT' d'autre part 15 d) des moyens de transfert sélectif du liquide LT entre les enceintes de transfert CT et CT' et le dispositif de compression ou de détente DPD, lesdits moyens comprenant au moins un convertisseur hydraulique. 2. Installation selon la revendication 1, dans laquelle la machine de Carnot modifiée est une machine motrice, caractérisée en ce que le convertisseur 20 hydraulique est un moteur hydraulique et la source de chaleur est à une température supérieure à celle du puits de chaleur, et en ce que DPD consiste en un dispositif qui pressurise le fluide de travail GT qui est à l'état de liquide saturé ou de liquide sous-refroidi. 3. Installation selon la revendication 1, dans laquelle la machine (le 25 Carnot modifiée est une machine motrice, caractérisée en ce que le convertisseur hydraulique est un moteur hydraulique et la source de chaleur est à une température supérieure à celle du puits de chaleur, et en en ce que le dispositif DPD comprend d'une part une enceinte de compression/détente ABCD et les moyens de transfert qui y sont associés et d'autre part une pompe hydraulique 30 auxiliaire PHA2 pour la pressurisation du liquide de transfert LT. 4. Installation selon la revendication 1, dans laquelle la machine de Carnot modifiée est une machine réceptrice, caractérisée en ce que [e convertisseur hydraulique est une pompe hydraulique, et la source de chaleur est à B0956FR 2929381 57 une température inférieure à celle du puits de chaleur, et en ce que DPD est une vanne de détente VD ou un capillaire C ou une vanne commandée en série avec un capillaire VCC, ledit DPD étant traversé par le fluide de travail GT. 5. Installation selon la revendication 1, dans laquelle la machine de 5 Carnot modifiée est une machine réceptrice, caractérisée en ce que le convertisseur hydraulique est une pompe hydraulique, et la source de chaleur est à une température inférieure à celle du puits de chaleur, et en ce que DPD comprend une enceinte ABCD permettant une compression ou une détente adiabatique du fluide de travail GT par l'intermédiaire du liquide de transfert LT. to 6. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une machine de Carnot modifiée couplée par voie thermique au niveau de son condenseur et/ou de son évaporateur, à un dispositif complémentaire, le dis-positif complémentaire étant une machine thermodynamique diatherme motrice pour une machine de Carnot modifiée motrice, et une machine thermodynamique 15 ditherme réceptrice pour une machine de Carnot modifiée réceptrice. 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que le couplage est effectué par l'intermédiaire d'un fluide caloporteur ou d'un calodu., ou par contact direct, ou par rayonnement. 8. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que la machine 20 thermodynamique ditherme est une 2èm/ machine de Carnot modifiée. 9. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la machir.e de Carnot modifiée est couplée par voie mécanique à un dispositif complémentaire. 10. Installation selon la revendication 9, caractérisée en ce qu'elle 25 comprend une machine de Carnot modifiée réceptrice couplée à un dispositif complémentaire moteur ou à un dispositif moteur-récepteur, ou une machine de Carnot modifiée motrice couplée à un dispositif complémentaire récepteur ou à un dispositif moteur-récepteur. 11. Installation selon la revendication 10, caractérisée en ce que : 30 - le dispositif complémentaire moteur est un moteur électrique, une turbine hydraulique, une éolienne, un moteur à essence ou à gaz, un moteur diesel, ou une machine de Carnot modifiée motrice ; B0956FR 2929381 58 le dispositif complémentaire récepteur est une pompe hydraulique, un véhicule de transport, un alternateur, une pompe à chaleur à compression mécanique de vapeur ou de gaz, un compresseur à air, ou une machine de Carnot modifiée réceptrice ; 5 le dispositif complémentaire moteur-récepteur est un volant d'inertie. 12. Installation selon la revendication 1, capable de fonctionner en mode moteur ou en mode récepteur, caractérisée en ce que : elle comprend un élément convertisseur et des moyens qui permettent de le mettre en communication de manière sélective avec les cylindres CT et CT', t o ledit ensemble convertisseur étant constitué soit par un convertisseur hydraulique bifonctionnel capable de fonctionner en moteur ou en pompe, soit par une pompe hydraulique et un moteur hydraulique ; le dispositif DPD comprend un dispositif de pressurisation, un dispositif de détente et un moyen de sélection exclusif d'un des dits dispositifs de 15 pressurisation et détente qui sont placés sur deux circuits parallèles entre le condenseur Cond et l'évaporateur Evap, et qui peuvent chacun mettre en communication le condenseur Cond et l'évaporateur Evap. 13. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'échange de chaleur entre d'une part la source et/ou le 20 puits de chaleur qui sont à des températures différentes, et d'autre part le fluide de travail GT dans les enceintes de transfert CT et CT', l'échange de chaleur pouvant être direct ou indirect. 14. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le fluide de travail GT et le liquide de transfert LT sont choisis de telle sorte que GT soit 25 faiblement soluble dans LT, que GT ne réagisse pas avec LT et que GT à l'état liquide soit moins dense que LT. 15. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le fluide de travail GT et le liquide de transfert LT sont isolés l'un de l'autre, par une membrane souple créant une barrière imperméable entre les fluides GT et LT mais c[ui 30 n'oppose qu'une très faible résistance au déplacement de LT ainsi qu'une faible résistance au transfert thermique, ou par un flotteur qui a une densité intermédiaire entre celle du fluide de travail GT à l'état liquide et celle du liquide de transfert LT. 16. Installation selon la revendication 14 , caractérisée en ce que le liquide de transfert LT est choisi parmi l'eau, les huiles minérales et les huiles de synthèse. B0956FR 2929381 59 17. Installation selon la revendication 14, caractérisée en ce que le fluide de travail GT est un corps pur ou un mélange azéotropique. 18. Installation selon la revendication 14 , caractérisée en ce que le fluide de travail GT est choisi parmi l'eau, CO2, NH3, les alcools ayant de 1 à 6 atomes 5 de carbone, les alcanes ayant de 1 à 18 atomes de carbone, les chlorofluoroalcanes ayant de 1 à 15 atomes de carbone, les alcanes partiellement ou totalement chlorés ayant de 1 à 15 atomes de carbone et les alcanes partiellement ou totalement fluorés ayant de 1 à 15 atomes de carbone. 19. Procédé de production de froid, de chaleur et/ou de travail consistant à soumettre un fluide de travail GT à une succession de cycles de Carnot modifiés dans une installation selon la revendication 1, chaque cycle de Carnot modifié comprenant les transformations de GT suivantes : une transformation isotherme avec échange de chaleur entre GT et la source, respectivement le puits de chaleur ; - une transformation adiabatique avec diminution de la pression du fluide de travail GT ; une transformation isotherme avec échange de chaleur entre GT et le puits, respectivement la source de chaleur ; une transformation adiabatique avec augmentation de la pression du fluide de 20 travail GT ; caractérisé en ce que le fluide de travail GT est sous forme biphasique liquide-gaz pendant au moins l'une des transformations d'un cycle, les deux transformat: ons isothermes produisent ou sont consécutives à un changement de volume de GT concomitant avec le déplacement d'un liquide de transfert LT qui entraîne ou est 25 entraîné par un convertisseur hydraulique, et du travail est fourni ou reçu par l'installation par l'intermédiaire d'un liquide de transfert LT qui traverse un convertisseur hydraulique pendant au moins les deux transformations isothermes. 20. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que du travail est reçu ou fourni par l'installation par l'intermédiaire du liquide de transfert LT qui 30 traverse un convertisseur hydraulique pendant une seule des transformations adiabatiques. 21. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que du travail est reçu ou fourni par l'installation par l'intermédiaire du liquide de transfert LT qui B0956FR 2929381 60 traverse un convertisseur hydraulique pendant les deux transformations adiabatiques. 22. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que le cycle comprend les transformations suivantes : 5 une transformation isotherme initiée par l'apport de chaleur à GT à partir de la source de chaleur ; une transformation adiabatique avec diminution de la pression du fluide de travail GT el; production de travail par l'installation ; une transformation isotherme au cours de laquelle de la chaleur est fournie to par GT à un puits de chaleur à une température inférieure à celle de la source ; une transformation adiabatique avec augmentation de la pression du fluide de travail GT. 23. Procédé selon la revendication 22 , caractérisé en ce que du travail 15 est échangé entre l'installation et l'environnement pendant les deux transformations adiabatiques du cycle. 24. Procédé selon la revendication 23 , caractérisé en ce que le rapport valve est tel que 0,9 va/vc 1, va désignant le volume massique de GT à la fin de l'étape d'échange de chaleur avec le puits de chaleur, vc désignant le volume 20 massique de GT à la fin de l'étape d'échange de chaleur avec la source de chaleur. 25. Procédé selon la revendication 19, caractérisé en ce que le cycle comprend les transformations suivantes : une transformation isotherme avec libération de chaleur par GT vers le puits de chaleur ; 25 - une transformation adiabatique avec diminution de la pression du fluide de travail GT; une transformation isotherme avec apport de chaleur à GT par la source de chaleur à une température inférieure à la température du puits de chaleur ; une transformation adiabatique avec augmentation de la pression du fluide de 30 travail GT initiée par l'apport de travail par l'intermédiaire du liquide de transfert LT. 26. Procédé selon la revendication 19, mis en oeuvre dans une installation qui comprend une machine de Carnot modifiée couplée à une machine thermodynamique ditherme, caractérisé en ce que la chaleur du condenseur de la machine B0956FR 2929381 61 de Carnot modifiée est transférée vers la machine thermodynamique, ou l'évaporateur de la machine de Carnot modifiée reçoit de la chaleur de la machine thermodynamique. 27. Procédé selon la revendication 19, mis en oeuvre dans une installation 5 comprenant une première et une dernière machines de Carnot modifiées, et éventuellement au moins une machine de Carnot modifiée intermédiaire entre lesdites première et dernière machines de Carnot modifiées, les machines de Carnot modifiées étant couplées par voie thermique, caractérisé en ce que : la 1ère machine est alimentée en chaleur pour l'évaporation d'un fluide de 10 travail GTp, et la dernière machine libère vers l'environnement la chaleur générée par la condensation d'un fluide de travail GTd, lesdits fluides GTp et GTd pouvant être identiques ou différents; le cas échéant, chaque machine intermédiaire reçoit la chaleur libérée par la condensation du fluide de travail GTi_1 de la machine qui la précède, et 15 transfère la chaleur libérée par la condensation de son propre fluide de travail GT; à la machine qui la suit. lesdits fluides GTi_1 et GT; pouvant être identiques ou différents ; chaque machine échange une quantité de travail avec l'environnement ; étant entendu que les machines sont toutes motrices ou toutes réceptrices et que : - lorsque toutes les machines sont motrices, la chaleur fournie à la 1 ère machine est à la température Th et la chaleur libérée par la dernière machine est à la température Tb 28. Procédé mis en oeuvre dans une installation selon la revendication 3 pour la production de chaleur à une température Tb et/ou de travail, caractérisé en ce que, à partir d'un état initial dans lequel d'une part le fluide de travail GT est maintenu dans l'évaporateur Evap à haute température et dans le condenseur Cond à basse température par échange de chaleur respectivement avec la source chaude à Th et le puits froid à Tb 29. Procédé de production de chaleur à une température Tb et/ou de travail, mis en oeuvre dans une installation selon la revendication 2, caractérisé en ce que, à partir d'un état initial dans lequel le fluide de travail GT est maintenu dans l'évaporateur Evap à haute température et dans le condenseur Cond à basse t o température par échange de chaleur respectivement avec la source chaude à Th et le puits froid à Tb, et tous les circuits de communication du fluide de travail GT et du liquide de transfert LT sont obturés, à l'instant to on actionne la pompe hydraulique auxiliaire PHA1 et on ouvre le circuit de G1 entre Cond et Evap de sorte qu'une partie de GT, à l'état de liquide saturé ou sous-refroidi est aspiré par 15 PHA1 dans la partie inférieure du condenseur Cond, et refoulé à l'état de liquide sous-refroidi dans Evap où il se réchauffe, puis on soumet GT à une succession de cycles de Carnot modifiés, chacun desquels comprenant les étapes suivantes : à l'instant t,,,. lorsque, au cours du premier cycle d'action, il reste du GT liquide dans le condenseur, on ouvre le circuit de GT entre Evap et CT ' d'une 20 part, entre CT et Cond d'autre part, et on ouvre le circuit permettant le transfert de LT de CT ' vers CT en passant par le moteur hydraulique MH, de sorte que : * GT se réchauffe et s'évapore dans Evap, et la vapeur saturée de GT sortant de Evap à la pression élevée Ph, pénètre dans CT' et refoule LT à un 25 niveau intermédiaire J ; * LT passe à travers MH en se détendant, puis LT est refoulé vers CT jusqu'au niveau intermédiaire I; * les vapeurs de GT contenues dans CT et refoulées par LT se condensent dans Cond ; 30 * GT à l'état de liquide saturé ou sous-refroidi arrive dans la pî.rtie inférieure du condenseur Cond où il est aspiré au fur et à mesure par PHA1, puis refoulé à l'état de liquide sous-refroidi dans Evap ; à l'instant tR, on ferme le circuit de GT entre Evap et CT' de sorte que : * La vapeur de GT contenue dans CT' continue à s'expanser, de manière 35 adiabatique, et refoule LT jusqu'au niveau bas dans CT' puis à travers MH vers CT où il atteint le niveau haut; B0956FR 2929381 64 * le reste des vapeurs de GT contenues dans CT et refoulées par le liq _ride LT se condensent dans Cond; * GT à l'état de liquide saturé ou sous-refroidi arrive dans la partie inférieure du condenseur Cond où il est aspiré au fur et à mesure par 5 PHA1, puis refoulé à l'état de liquide sous-refroidi dans Evap. à l'instant 1, on ferme les circuits ouverts à l'instant tp, excepté celui permettant le transfert de GT entre Cond et Evap, on ouvre le circuit de GT entre Evap et CT d'une part, entre CT' et Cond d'autre part, et on ouvre le circuit permettant le transfert de LT de CT vers CT' en passant par le moteur I o hydraulique MH, de sorte que : * GT se réchauffe et s'évapore dans Evap et la vapeur saturée de GT sortant de Evap à la pression élevée Ph, pénètre dans CT et refoule LT à un niveau intermédiaire J ; * LT passe à travers MH en se détendant, puis LT est refoulé vers CT' 15 jusqu'au niveau intermédiaire I; * les vapeurs de GT contenues dans CT' et refoulées par le liquide L se condensent dans Cond ; * GT à l'état de liquide saturé ou sous-refroidi arrive dans la partie inférieure du condenseur Cond où il est aspiré au fur et à mesure par 20 PHA1, puis refoulé à l'état de liquide sous-refroidi dans Evap ; à l'instant ts, on ferme le circuit de GT entre Evap et CT de sorte que : * La vapeur de GT contenue dans CT continue à s'expanser, de manière adiabatique, et refoule LT jusqu'au niveau bas dans CT puis à travers MH vers CT' où il atteint le niveau haut; 25 * le reste des vapeurs de GT contenues dans CT' et refoulées par le liquide LT se condensent dans Cond; * GT à l'état de liquide saturé ou sous-refroidi arrive dans la partie inférieure du condenseur Cond où il est aspiré au fur et à mesure par PHA1 et enfin refoulé à l'étal. de liquide sous-refroidi dans Evap. 30 étant entendu qu'après plusieurs cycles, l'installation fonctionne à un régime permanent dans lequel la source chaude fournit en continu de la chaleur à haute température Th au niveau de l'évaporateur Evap, de la chaleur est délivrée en continu par le condenseur Cond au puits froid à Tb et du travail est délivré en continu par la machine. 35 30. Procédé de gestion d'une installation selon la revendication 5 à partir d'un état initial dans lequel tous les circuits de communication du fluide de travail B0956FR 2929381 65 GT et du liquide de transfert LT sont obturés, caractérisé en ce que, à l'instant tA on actionne la pompe hydraulique PH, puis on soumet GT à une succession de cycles de Carnot modifiés, chacun desquels comprenant les étapes suivantes : à l'instant tL, on ouvre les circuits de LT permettant d'une part le transfert de 5 LT depuis l'enceinte ABCD vers l'amont de la pompe hydraulique PH, d'autre part le transfert de LT depuis CT vers CT' par la pompe hydraulique PH, de sorte que : * GT à l'état d'équilibre liquide/vapeur dans ABCD et dans CT se détend de la pression haute Ph à la pression basse Pb et refoule LT à travers PH to dans CT'; * les vapeurs de GT contenues dans CT' sont comprimées adiabatiquement. à l'instant tts on ouvre le circuit de GT entre Evap et CT d'une part, entre ABCD et Evap d'autre part, de sorte que: 15 * le liquide de transfert LT est aspiré par la pompe PH qui le pressurise et le refoule dans CT'; * les niveaux de LT dans ABCD, CT et CT' passent respectivement de haut à bas, haut à un niveau intermédiaire J et bas à un niveau intermédiaire I; 20 * du fait que le volume occupé par les vapeurs de GT dans CT augmente, GT s'évapore dans Evap et la vapeur saturée de GT sortant de Evap à la pression faible Pb pénètre dans CT; * les vapeurs de GT contenues clans CT' continuent à être comprimées adiabaitiquement jusqu'à la pression haute Ph; 25 * GT à l'état de liquide saturé à la pression basse Pb s'écoule par gravité de ABCD vers Evap. à l'instant on ferme le circuit de GT entre ABCD et Evap, on ferme le circuit de Li, entre ABCD et l'amont de la pompe PH, on ouvre le circuit de GT entre C7:'' et Cond d'une part, entre Cond et ABCD d'autre part, et on 30 ouvre le circuit de LT entre l'aval de la pompe PH et ABCD, de sorte que : * LT est encore aspiré par la pompe PH qui le pressurise et le refoule dans CT'; * les niveaux de LT dans ABCI), CT et CT' passent respectivement de bas à haut, du niveau intermédiaire J à bas, et du niveau intermédiaire 35 I à haut; B0956FR 2929381 66 * du fait que le volume occupé par les vapeurs de GT dans CT continue à augmenter, GT s'évapore dans Evap et la vapeur saturée de GT sortant de Evap à la pression faible Pb pénètre dans CT; * les vapeurs de GT contenues dans CT', à haute pression Ph, sont 5 refoulées par LT et se condensent dans Cond; * GT à l'état de liquide saturé s'écoule par gravité de Cond vers ABCD. à l'instant tf;, on ferme tous les circuits ouverts à l'instant tY, on ouvre les circuits de LT permettant le transfert de LT d'une part depuis l'enceinte ABCD vers l'amont de la pompe hydraulique PH, et d'autre part depuis CT' vers CT 1 o en passant par la pompe hydraulique PH, de sorte que : * GT à l'état d'équilibre liquide/vapeur dans ABCD et dans CT' se détend de la pression haute Ph à la pression basse Pb et refoule LT à travers PH dans CT; * les vapeurs de GT contenues dans CT sont comprimées adiabatiquement. 15 - à l'instant tE, on ouvre le circuit de GT entre Evap et CT' d'une part, entre ABCD et Evap d'autre part, de sorte que : * LT est aspiré par la pompe PH qui le pressurise et le refoule dans CT ; * les niveaux de LT dans ABCD, CT et CT' passent respectivement de haut à bas, bas à un niveau intermédiaire I, et haut à un niveau intermédiaire 20 J , * du fait que le volume occupé par les vapeurs de GT dans CT' augmente, GT s'évapore dans Evap et l.a vapeur saturée de GT sortant de Evap à la pression faible Pb pénètre dans CT' ; * les vapeurs de GT contenues dans CT continuent à être comprimées 25 adiabatiquement jusqu'à la pression haute Ph ; * GT à l'état de liquide saturé à la pression basse Pb s'écoule par gravité de ABCD vers Evap ; à l'instant t.2, on ferme le circuit de GT entre ABCD et Evap, on ferme le circuit de LT entre ABCD et l'amont de la pompe PH, on ouvre le circuit de 30 GT entre CT et Cond d'une part, entre Cond et ABCD d'autre part, et on ouvre le circuit de LT entre l'ava[ de la pompe PH et ABCD, de sorte que : * LT est encore aspiré par la pompe PH qui le pressurise et le refoule dans CT; * les niveaux de LT dans ABCD, CT et CT' passent respectivement de bas 35 à haut, du niveau intermédiaire I à haut, et du niveau intermédiaire J à bas; B0956FR 2929381 67 * du fait que le volume occupé par les vapeurs de GT dans CT' continue à augmenter, GT s'évapore dans Evap et la vapeur saturée de GT sortant de Evap à la pression faible Pb pénètre dans CT'; * les vapeurs de GT contenues dans CT, à haute pression Ph, sont refoulées 5 par LT et se condensent dans Cond; * GT à l'état de liquide saturé s'écoule par gravité de Cond vers ABCD. étant entendu qu'après plusieurs cycles, l'installation fonctionne à un régime permanent, et que ; pour la production de froid, à l'état initial, GT est maintenu dans le io condenseur Cond à haute température par échange de chaleur avec le puits chaud à Th, et dans l'évaporateur Evap à une température inférieure ou égale à Th par échange de chaleur avec un milieu externe à la machine, ledit mi lieu ayant initialement une température Th, et en régime permanent, un travail net est consommé par la pompe hydraulique PH, le condenseur Cond évacue en 15 continu de la chaleur vers le puits chaud à haute température Th, et de la chaleur est consommée en continu par l'évaporateur Evap, avec production de froid vers le milieu extérieur en contact avec ledit évaporateur Evap, la température Tb dudit milieu extérieur étant inférieure strictement à 'Th ;-pour la production de chaleur,à l'état initial, GT est maintenu dans 20 l'évaporateur Evap à basse température par échange de chaleur avec la source froide à Tb, GT est maintenu dans le condenseur Cond à une température Th > Tb par échange de chaleur avec un milieu externe à la machine, ledit milieu ayant initialement une température > Th ; et en régime permanent, un travail net est consommé par la pompe hydraulique PH, la source froide à Tb apporte 25 de la chaleur en continu à l'évaporateur Evap, le condenseur Cond évacue en continu de la chaleur vers le puits chaud, l'installation produisant de la chaleur vers le milieu extérieur en contact avec ledit condenseur Cond, le milieu extérieur ayant une température Th > Tb. 31. Procédé de gestion d'une installation selon la revendication 4, à partir 30 d'un état initial dans lequel tous les circuits de communication du fluide de travail GT et du liquide de transfert LT sont obturés, caractérisé en ce que, à l'instant tA on actionne la pompe hydraulique PH et ouvre le circuit de GT entre Cond et Evap, et l'on soumet GT à une succession de cycles de Carnot modifiés, chacun desquels comprenant les étapes suivantes : B0956FR 2929381 68 à l'instant tt, on ouvre le circuit de LT permettant le transfert de LT depuis l'enceinte CT vers l'enceinte CT' en passant par la pompe hydraulique PH, et on ouvre le circuit de GT entre Evap et CT, de sorte que : * LT est aspiré par la pompe PH qui le pressurise et le refoule dans CT' ; 5 * le niveau de LT dans CT passe de haut à un niveau intermédiaire J, et dans CT' de bas à un niveau intermédiaire I ; * du fait que le volume occupé par les vapeurs de GT dans CT augmente, GT s'évapore dans Evap et la vapeur saturée de GT sortant de Evap à la pression faible Pb pénètre dans CT ; to * les vapeurs de GT contenues dans CT' sont comprimées adiabatiquement jusqu'à la pression haute Ph:; * GT à l'état de liquide saturé ou sous-refroidi dans Cond et à la pression haute Ph se détend de façon isenthalpique et est introduit à l'état de mélange biphasique liquide/vapeur et à la pression basse Pb dans 15 l'évaporateur Evap. à l'instant t43 on ouvre le circuit de GT entre CT' et Cond, de sorte que : * LT est encore aspiré par la pompe PH qui le pressurise et le refoule dans CT'; * le niveau de LT dans CT passe du niveau intermédiaire J à bas, et dans 20 CT' du niveau intermédiaire I à haut ; * du fait que le volume occupé par les vapeurs de GT dans CT continue à augmenter, GT s'évapore dans Evap et la vapeur saturée de GT sortant de Evap à la pression faible Pb pénètre dans CT; * les vapeurs de GT contenues dans CT', à haute pression Ph, sont 25 refoulées par LT et se condensent dans Cond. à l'instant ty, on ferme tous les circuits ouverts à l'instant tp, excepté le circuit de GT entre Cond et Evap, on ouvre le circuit de LT permettant le transfert de LT depuis CT' vers CT en passant par la pompe hydraulique PH, et on ouvre le circuit de 0T entre Evap et CT', de sorte que : 30 * LT est aspiré par la pompe PH qui le pressurise et le refoule dans CT ; * le niveau de LT dans CT passe de bas à un niveau intermédiaire I, et dans CT' de haut à un niveau intermédiaire J ; * le volume occupé par les vapeurs de GT dans CT' augmentant, le fluide de travail GT s'évapore dans Evap et: la vapeur saturée de GT 35 sortant de Evap à la pression faible Pb pénètre dans CT' ; * les vapeurs de GT contenues dans CT sont comprimées adiabatiquement jusqu'à la pression haute Ph ; B0956FR 2929381 69 * GT à l'état de liquide saturé ou sous-refroidi dans Cond et à la pression haute Ph se détend de façon isenthalpique et est introduit à l'état de mélange biphasique liquide/vapeur et à la pression basse Pb dans l'évaporateur Evap ; s à l'instant tsä on ouvre le circuit de GT entre CT et Cond, de sorte que : * LT est encore aspiré par la pompe PH qui le pressurise et le refoule dans CT, * le niveau de LT dans CT passe du niveau intermédiaire I à haut. et dans CT' du niveau intermédiaire J à bas ; o * du fait que le volume occupé par les vapeurs de GT dans CT' continue à augmenter, GT s'évapore clans Evap et la vapeur saturée de GT sortant de Evap à la pression faible Pb pénètre dans CT' ; * les vapeurs de GT contenues dans CT, à haute pression Ph, sont refoulées par LT et se condensent dans Cond ; 15 étant entendu qu'après plusieurs cycles, l'installation fonctionne à un régime permanent, et que : pour la production de froid : à l'état initial, GT est maintenu dans le condenseur Cond à haute température par échange de chaleur avec le puits chaud à Th, et dans l'évaporateur Evap à une température inférieure ou égale 20 à Th par échange de chaleur avec un milieu externe à la machine, ledit milieu ayant initialement une température Th par échange de 30 chaleur avec un milieu externe à l'installation à une température > Th ; e. en régime permanent, un travail net est consommé par la pompe hydraulique PH, la source froide à Tb apporte de la chaleur en continu à Evap, et CDnd évacue en continu de la chaleur vers le puits chaud, c'est-à-dire qu'il y a une production de chaleur vers le milieu extérieur en contact avec Cond, la 35 température Th dudit milieu extérieur étant supérieure à Tb.