FR3141236A1 - Thermal machine - Google Patents
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Abstract
Une machine thermique (100) pour la production de froid comprenant un circuit fermé comprenant un moyen de compression, un détendeur (7) et un premier échangeur thermique (8), où le moyen de compression comprend une enceinte étanche basse (1) remplie de fluide frigorigène et un deuxième échangeur (4) permettant la circulation d’un médium chaud, afin d’augmenter la température et la pression du fluide frigorigène, une enceinte étanche haute (12) située plus haut que l’enceinte étanche basse (1), l’enceinte étanche basse (1) et l’enceinte étanche haute (12) étant connectées en parties hautes par une première conduite (18), sélectivement interruptible au moyen d’une première électrovanne (14), et en parties basses par une deuxième conduite (19), sélectivement interruptible au moyen d’une deuxième électrovanne (15) et l’enceinte étanche haute (12) comprenant encore un détecteur de niveau (10) apte à commander les électrovannes (14, 15). Figure d’abrégé : Figure 1 A thermal machine (100) for the production of cold comprising a closed circuit comprising a compression means, a regulator (7) and a first heat exchanger (8), where the compression means comprises a lower sealed enclosure (1) filled with refrigerant and a second exchanger (4) allowing the circulation of a hot medium, in order to increase the temperature and pressure of the refrigerant, a high sealed enclosure (12) located higher than the lower sealed enclosure (1) , the lower sealed enclosure (1) and the upper sealed enclosure (12) being connected in the upper parts by a first pipe (18), selectively interruptible by means of a first solenoid valve (14), and in the lower parts by a second pipe (19), selectively interruptible by means of a second solenoid valve (15) and the upper sealed enclosure (12) further comprising a level detector (10) capable of controlling the solenoid valves (14, 15). Abstract figure: Figure 1
Description
L’invention concerne une machine thermique pour la production de froid ou groupe froid.The invention relates to a thermal machine for the production of cold or cold group.
Une machine thermique pour la production de froid peut être réalisée selon différents principes connus.A heat engine for cold production can be made according to different known principles.
Il est connu des principes dits à absorption ou adsorption, des principes à effet Peltier, des principes par dessiccation.It is known the so-called absorption or adsorption principles, the Peltier effect principles, the desiccation principles.
Un principe des plus efficients, offrant le meilleur rendement, consiste à utiliser la détente d’un fluide frigorigène gazeux, préalablement comprimé.One of the most efficient principles, offering the best performance, consists of using the expansion of a gaseous refrigerant fluid, previously compressed.
Pour exploiter un tel principe, une machine thermique comprend un circuit fermé, dans lequel circule un fluide frigorigène. Sur ce circuit fermé sont disposés, en séquence dans le sens de circulation du fluide frigorigène, un moyen de compression apte à aspirer le fluide frigorigène à basse pression et basse température, à le comprimer pour produire du fluide frigorigène à haute pression et haute température, un détendeur apte à détendre le fluide frigorigène en réduisant sa pression et un échangeur thermique, apte à évaporer le fluide frigorigène en produisant du froid, et à transmettre à nouveau le fluide frigorigène au moyen de compression.To exploit such a principle, a heat engine comprises a closed circuit, in which a refrigerant circulates. On this closed circuit are arranged, in sequence in the direction of circulation of the refrigerant, a compression means capable of sucking in the refrigerant at low pressure and low temperature, of compressing it to produce refrigerant at high pressure and high temperature, an expansion valve capable of expanding the refrigerant by reducing its pressure and a heat exchanger, capable of evaporating the refrigerant by producing cold, and of transmitting the refrigerant again by compression means.
Le moyen de compression est classiquement un compresseur mécanique. Un tel compresseur mécanique présente l’inconvénient principal de consommer une énergie importante qui, s’agissant d’électricité ou de carburant pouvant être fossile, est couteuse économiquement et/ou écologiquement.The compression means is typically a mechanical compressor. Such a mechanical compressor has the main disadvantage of consuming significant energy which, in the case of electricity or fuel which may be fossil, is economically and/or ecologically expensive.
De plus, un tel compresseur mécanique est généralement bruyant. Ce qui crée des nuisances sonores.In addition, such a mechanical compressor is usually noisy, which creates noise pollution.
De plus, un tel compresseur mécanique est généralement une machine avec des pièces mobiles sujettes à l’usure et nécessitant une lubrification, source de pollution.In addition, such a mechanical compressor is generally a machine with moving parts subject to wear and requiring lubrication, a source of pollution.
Le besoin de froid, principalement en matière de climatisation, s’est accru ces dernières années, en raison d’une élévation moyenne des températures sur la planète. Le marché de la climatisation s’accroît rapidement. Pour faire face à la consommation d’énergie électrique d’un million de climatiseurs, d’une puissance de 1kW, il convient de construire au moins une centrale nucléaire supplémentaire.The need for cold, mainly air conditioning, has increased in recent years, due to an average rise in temperatures on the planet. The air conditioning market is growing rapidly. To cope with the electrical energy consumption of one million air conditioners, with a power of 1kW, it is necessary to build at least one additional nuclear power plant.
L’invention propose une solution alternative en remplaçant la compression mécanique par une compression d’origine thermique, en obtenant avec une énergie thermique, issue d’une source chaude, via un changement de phase du fluide frigorigène, une dilation importante du fluide frigorigène au sein d’une enceinte étanche.The invention proposes an alternative solution by replacing mechanical compression with compression of thermal origin, by obtaining with thermal energy, from a hot source, via a phase change of the refrigerant fluid, a significant expansion of the refrigerant fluid within a sealed enclosure.
La source chaude est avantageusement obtenue à partir d’un médium préférentiellement chauffé par l’énergie solaire, par exemple au moyen d’un chauffe-eau solaire plan classique. Ceci permet alors de rafraichir des locaux, y compris la nuit, avec le médium chaud stocké dans un ballon.The hot source is advantageously obtained from a medium preferably heated by solar energy, for example by means of a classic flat solar water heater. This then makes it possible to cool premises, including at night, with the hot medium stored in a tank.
Ceci permet encore de réaliser une climatisation en passant d’un coût important en énergie électrique, à une quasi-gratuité de l’énergie nécessaire.This also makes it possible to achieve air conditioning by going from a significant cost in electrical energy to almost free energy.
Ceci permet encore de réaliser une climatisation silencieuse.This also allows for quiet air conditioning.
Ceci permet encore de réaliser une climatisation par une compression thermique supprimant les pièces en mouvement et donc toute usure et toute lubrification.This also allows air conditioning to be achieved by thermal compression, eliminating moving parts and therefore all wear and lubrication.
Pour cela, l’invention a pour objet une machine thermique pour la production de froid comprenant un circuit fermé, dans lequel circule un fluide frigorigène, comprenant, en séquence dans le sens de circulation du fluide frigorigène, un moyen de compression apte à aspirer le fluide frigorigène à basse pression et basse température, à le comprimer pour produire du fluide frigorigène à haute pression et haute température, un détendeur apte à détendre le fluide frigorigène en réduisant sa pression et un premier échangeur thermique, entre le fluide frigorigène et un premier médium, apte à évaporer le fluide frigorigène en produisant du froid dans le premier médium, et à transmettre à nouveau le fluide frigorigène au moyen de compression, où le moyen de compression comprend une enceinte étanche basse remplie de fluide frigorigène en équilibre de phase et un deuxième échangeur permettant la circulation d’un deuxième médium chaud, afin d’augmenter la température et la pression du fluide frigorigène contenu dans l’enceinte étanche basse, une enceinte étanche haute remplie de fluide frigorigène en équilibre de phase, située plus haut que l’enceinte étanche basse, l’enceinte étanche basse et l’enceinte étanche haute étant connectées en parties hautes par une première conduite, sélectivement interruptible au moyen d’une première électrovanne, l’enceinte étanche basse et l’enceinte étanche haute étant connectées en parties basses par une deuxième conduite, sélectivement interruptible au moyen d’une deuxième électrovanne et l’enceinte étanche haute comprenant encore un détecteur de niveau de liquide apte à commander la première électrovanne et la deuxième électrovanne ouvertes pour un niveau haut et fermées pour un niveau bas.For this, the invention relates to a thermal machine for producing cold comprising a closed circuit, in which a refrigerant circulates, comprising, in sequence in the direction of circulation of the refrigerant, a compression means capable of sucking in the refrigerant at low pressure and low temperature, of compressing it to produce refrigerant at high pressure and high temperature, an expansion valve capable of expanding the refrigerant by reducing its pressure and a first heat exchanger, between the refrigerant and a first medium, capable of evaporating the refrigerant by producing cold in the first medium, and of transmitting the refrigerant again to the compression means, where the compression means comprises a lower sealed enclosure filled with refrigerant in phase equilibrium and a second exchanger allowing the circulation of a second hot medium, in order to increase the temperature and the pressure of the refrigerant contained in the lower sealed enclosure, an upper sealed enclosure filled with refrigerant in phase equilibrium, located higher than the lower sealed enclosure, the lower sealed enclosure and the upper sealed enclosure being connected in the upper parts by a first pipe, selectively interruptible by means of a first solenoid valve, the lower sealed enclosure and the upper sealed enclosure being connected in the lower parts by a second pipe, selectively interruptible by means of a second solenoid valve and the upper sealed enclosure further comprising a liquid level detector capable of controlling the first solenoid valve and the second solenoid valve open for a high level and closed for a low level.
Des caractéristiques ou des modes de réalisation particuliers, utilisables seuls ou en combinaison, sont :
- l’enceinte étanche basse est connectée en partie basse, par une troisième conduite, à l’entrée du détendeur, la sortie du détendeur est connectée à l’entrée du premier échangeur thermique et la sortie du premier échangeur thermique est connectée à l’enceinte étanche haute en partie haute,
- l’enceinte étanche haute est située de manière à ce que son point le plus bas se trouve sensiblement à mi-hauteur de l’enceinte étanche basse,
- le détecteur de niveau de liquide comprend une hystérésis afin d’éloigner le niveau haut du niveau bas,
- le détecteur de niveau de liquide comprend un flotteur disposé dans l’enceinte étanche haute de manière à flotter sur la surface du liquide, solidaire d’un élément magnétique apte à être aimanté et détecté par un capteur magnétique disposé à l’extérieur de l’enceinte étanche haute,
- l’hystérésis est réalisée au moyen d’une tige, solidaire de l’élément magnétique, respectivement du flotteur, coulissant avec butées distantes dans un fourreau solidaire du flotteur, respectivement de l’élément magnétique, la distance entre les butées déterminant l’étendue de l’hystérésis,
- la machine thermique comprend encore une enceinte étanche additionnelle située plus haut que l’enceinte étanche haute et connectée par une quatrième conduite en partie haute de l’enceinte étanche haute,
- les enceintes étanches sont des bouteilles comprenant un unique goulot, disposé vers le bas, une connexion en partie basse étant réalisée au niveau du goulot, afin de puiser/remplir du liquide, et une connexion en partie haute étant réalisée par un tube traversant le goulot et remontant vers le haut de la bouteille, afin de puiser/remplir du gaz,
- le deuxième échangeur comprend une pluralité de tubes capillaires formant des boucles plongeant dans l’enceinte étanche basse et débouchant au travers d’un goulot,
- le fluide frigorigène est du dioxyde de carbone, CO2,
- le deuxième médium est chauffé par un chauffe-eau solaire et est préférentiellement de l’eau,
- l’enceinte étanche basse comprend encore un capteur de température et ou un capteur de pression,
- le deuxième médium est remplacé par un troisième médium froid afin de refroidir le fluide frigorigène lorsque le fluide frigorigène risque de dépasser sa température ou sa pression critique.Particular features or embodiments, usable alone or in combination, are:
- the lower sealed enclosure is connected at the bottom, by a third pipe, to the inlet of the pressure reducer, the outlet of the pressure reducer is connected to the inlet of the first heat exchanger and the outlet of the first heat exchanger is connected to the upper sealed enclosure at the top,
- the upper watertight enclosure is located so that its lowest point is approximately halfway up the lower watertight enclosure,
- the liquid level detector includes a hysteresis to distance the high level from the low level,
- the liquid level detector comprises a float arranged in the upper sealed enclosure so as to float on the surface of the liquid, secured to a magnetic element capable of being magnetized and detected by a magnetic sensor arranged outside the upper sealed enclosure,
- the hysteresis is achieved by means of a rod, integral with the magnetic element, respectively with the float, sliding with distant stops in a sheath integral with the float, respectively with the magnetic element, the distance between the stops determining the extent of the hysteresis,
- the thermal machine also includes an additional sealed enclosure located higher than the upper sealed enclosure and connected by a fourth pipe in the upper part of the upper sealed enclosure,
- sealed enclosures are bottles comprising a single neck, arranged downwards, a connection in the lower part being made at the neck, in order to draw/fill liquid, and a connection in the upper part being made by a tube passing through the neck and rising towards the top of the bottle, in order to draw/fill gas,
- the second exchanger comprises a plurality of capillary tubes forming loops plunging into the lower sealed enclosure and emerging through a neck,
- the refrigerant is carbon dioxide, CO2 ,
- the second medium is heated by a solar water heater and is preferably water,
- the lower sealed enclosure also includes a temperature sensor and/or a pressure sensor,
- the second medium is replaced by a third cold medium in order to cool the refrigerant when the refrigerant risks exceeding its critical temperature or pressure.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit, faite uniquement à titre d’exemple, et en référence aux figures en annexe dans lesquelles :The invention will be better understood by reading the following description, given solely by way of example, and with reference to the appended figures in which:
En référence à la
La machine thermique 100 comprend un circuit fermé, dans lequel circule un fluide frigorigène. Ce circuit comprend, en séquence dans le sens de circulation du fluide frigorigène, un moyen de compression apte à aspirer le fluide frigorigène à basse pression et basse température, à le comprimer pour produire du fluide frigorigène à haute pression et haute température. Le fluide frigorigène rejoint ensuite un détendeur 7 apte à détendre le fluide frigorigène en réduisant sa pression. Le fluide frigorigène rejoint ensuite un premier échangeur thermique 8. Cet échangeur thermique 8 est apte à échanger entre le fluide frigorigène et un premier médium. Il est apte à évaporer le fluide frigorigène. Ceci produit du froid qui est transmis au premier médium. Concomitamment, cette évaporation / détente réchauffe le fluide frigorigène. Le premier médium peut être soit directement l’air de la pièce à refroidir ou alternativement un fluide caloporteur permettant de transporter les frigories vers la pièce à refroidir proprement dite ou un autre fluide caloporteur. Tel qu’illustré à la
Ensuite, le fluide frigorigène est à nouveau transmis au moyen de compression, fermant ainsi le circuit.Then the refrigerant is passed through the compression medium again, thus closing the circuit.
Selon une caractéristique de l’invention, le moyen de compression comprend une enceinte étanche basse 1 et une enceinte étanche haute 12.According to a characteristic of the invention, the compression means comprises a lower sealed enclosure 1 and an upper sealed enclosure 12.
L’enceinte étanche basse 1 est remplie de fluide frigorigène en équilibre de phase, soit à une pression et une température telles que les deux phases, liquide et gazeuse, coexistent dans l’enceinte étanche basse 1. La première enceinte étanche 1 est équipée d’un deuxième échangeur 4. Ce deuxième échangeur 4 comprend un circuit fermé et permet la circulation d’un deuxième médium chaud. La circulation du deuxième médium chaud est contrôlée par l’électrovanne 16. Ce circuit est principalement plongé de manière étanche et séparé du fluide frigorigène dans l’intérieur de la première enceinte étanche 1, de manière à permettre d’augmenter la température, et par voie de conséquence la pression, du fluide frigorigène contenu dans l’enceinte étanche basse 1.The lower sealed enclosure 1 is filled with refrigerant in phase equilibrium, i.e. at a pressure and temperature such that the two phases, liquid and gaseous, coexist in the lower sealed enclosure 1. The first sealed enclosure 1 is equipped with a second exchanger 4. This second exchanger 4 comprises a closed circuit and allows the circulation of a second hot medium. The circulation of the second hot medium is controlled by the solenoid valve 16. This circuit is mainly immersed in a sealed manner and separated from the refrigerant in the interior of the first sealed enclosure 1, so as to allow the temperature, and consequently the pressure, of the refrigerant contained in the lower sealed enclosure 1 to be increased.
L’enceinte étanche haute 12 est remplie de fluide frigorigène en équilibre de phase, soit à une pression et une température telles que les deux phases, liquide et gazeuse, coexistent dans l’enceinte étanche haute 12.The high sealed enclosure 12 is filled with refrigerant in phase equilibrium, that is, at a pressure and temperature such that the two phases, liquid and gas, coexist in the high sealed enclosure 12.
L’enceinte étanche haute 12 est située plus haut que l’enceinte étanche basse 1.The high waterproof enclosure 12 is located higher than the low waterproof enclosure 1.
Dans la présente demande, on entend par connexion en partie haute, une connexion à une enceinte étanche 1, 12, 11 dans sa partie haute. Une telle connexion permet à la conduite connectée de déboucher dans le ciel gazeux de l’enceinte étanche 1, 12, 11, et permet à cette conduite de réaliser un puisage ou un remplissage de gaz. Alternativement, on entend par connexion en partie basse, une connexion à une enceinte étanche 1, 12, 11 dans sa partie basse. Une telle connexion permet à la conduite connectée de déboucher dans le fond liquide de l’enceinte étanche 1, 12, 11, et permet à cette conduite de réaliser un puisage ou un remplissage de liquide.In the present application, the term “connection in the upper part” means a connection to a sealed enclosure 1, 12, 11 in its upper part. Such a connection allows the connected pipe to open into the gaseous airspace of the sealed enclosure 1, 12, 11, and allows this pipe to draw or fill gas. Alternatively, the term “connection in the lower part” means a connection to a sealed enclosure 1, 12, 11 in its lower part. Such a connection allows the connected pipe to open into the liquid bottom of the sealed enclosure 1, 12, 11, and allows this pipe to draw or fill liquid.
L’enceinte étanche basse 1 et l’enceinte étanche haute 12 sont connectées par une première conduite 18 en parties hautes. La première conduite 18 est connectée en partie haute de l’enceinte étanche basse 1, et en partie haute de l’enceinte étanche haute 12. La première conduite 18 est équipée d’une première électrovanne 14, permettant de sélectivement connecter ou interrompre la liaison entre les ciels gazeux des deux enceintes étanches 1, 12.The lower sealed enclosure 1 and the upper sealed enclosure 12 are connected by a first pipe 18 in the upper parts. The first pipe 18 is connected in the upper part of the lower sealed enclosure 1, and in the upper part of the upper sealed enclosure 12. The first pipe 18 is equipped with a first solenoid valve 14, making it possible to selectively connect or interrupt the connection between the gaseous spaces of the two sealed enclosures 1, 12.
L’enceinte étanche basse 1 et l’enceinte étanche haute 12 sont encore connectées par une deuxième conduite 19 en parties basses. La deuxième conduite 19 est connectée en partie basse de l’enceinte étanche basse 1, et en partie basse de l’enceinte étanche haute 12. La deuxième conduite 19 est équipée d’une deuxième électrovanne 15, permettant de sélectivement connecter ou interrompre la liaison entre les fonds liquides des deux enceintes étanches 1, 12.The lower sealed enclosure 1 and the upper sealed enclosure 12 are further connected by a second pipe 19 in the lower parts. The second pipe 19 is connected in the lower part of the lower sealed enclosure 1, and in the lower part of the upper sealed enclosure 12. The second pipe 19 is equipped with a second solenoid valve 15, making it possible to selectively connect or interrupt the connection between the liquid bottoms of the two sealed enclosures 1, 12.
Telle que détaillée à la
Selon une autre caractéristique, l’enceinte étanche basse 1 est connectée, en partie basse, par une troisième conduite 6, à l’entrée du détendeur 7. Ainsi, en cas d’augmentation de la pression dans l’enceinte étanche basse 1, le liquide contenu dans l’enceinte étanche basse 1 est poussé et dirigé vers le détendeur 7.According to another characteristic, the lower sealed enclosure 1 is connected, in the lower part, by a third pipe 6, to the inlet of the pressure reducer 7. Thus, in the event of an increase in the pressure in the lower sealed enclosure 1, the liquid contained in the lower sealed enclosure 1 is pushed and directed towards the pressure reducer 7.
De plus, la sortie du détendeur 7 est connectée à l’entrée du premier échangeur thermique 8. Ensuite, la sortie du premier échangeur thermique 8 est connectée à l’enceinte étanche haute 12 en partie haute, via un exutoire 9.In addition, the outlet of the expansion valve 7 is connected to the inlet of the first heat exchanger 8. Then, the outlet of the first heat exchanger 8 is connected to the upper sealed enclosure 12 in the upper part, via an outlet 9.
Comme visible sur la
Selon une autre caractéristique, l’enceinte étanche haute 12 est située de manière à ce que son point le plus bas se trouve sensiblement à mi-hauteur de l’enceinte étanche basse 1. Cette différence d’altitude relative permet, lorsque l’électrovanne 15 est ouverte, au liquide présent dans l’enceinte étanche haute 12 de couler par gravité vers l’enceinte étanche basse 1, jusqu’à égaliser les niveaux.According to another characteristic, the high sealed enclosure 12 is located so that its lowest point is approximately halfway up the low sealed enclosure 1. This difference in relative altitude allows, when the solenoid valve 15 is open, the liquid present in the high sealed enclosure 12 to flow by gravity towards the low sealed enclosure 1, until the levels are equalized.
Afin d’initialiser la machine thermique 100, le circuit fermé constitué par les enceintes étanches 1, 12, 11 est rempli de fluide frigorifique de telle manière à ce que les deux enceintes étanches basse 1 et haute 12 contiennent du fluide frigorifique sous forme liquide. Ainsi, à température ambiante, à titre indicatif 20 à 25 °C) une pression de 57 bars est retenue pour un fluide frigorifique composé de gaz carbonique CO2.In order to initialize the heat engine 100, the closed circuit formed by the sealed enclosures 1, 12, 11 is filled with refrigerant fluid in such a way that the two sealed enclosures, lower 1 and upper 12, contain refrigerant fluid in liquid form. Thus, at room temperature (for information purposes 20 to 25°C), a pressure of 57 bars is retained for a refrigerant fluid composed of carbon dioxide CO2 .
Le moyen de compression précédemment décrit fonctionne de la manière suivante. Son fonctionnement est cyclique. Aussi, la description du cycle peut se faire à partir de n’importe quel évènement.The compression method described above works as follows. Its operation is cyclical. Also, the description of the cycle can be done from any event.
Le fonctionnement est basé sur un cycle matérialisé par des transferts de fluide frigorigène d’une enceinte étanche basse 1, dans laquelle règne une haute pression, vers une enceinte étanche haute 12 dans laquelle la pression est moindre.The operation is based on a cycle materialized by transfers of refrigerant fluid from a low sealed enclosure 1, in which there is high pressure, to a high sealed enclosure 12 in which the pressure is lower.
Supposons que l’on démarre la description du cycle de fonctionnement à l’ouverture des électrovannes 14, 15.Let us assume that we start the description of the operating cycle when solenoid valves 14, 15 open.
Un liquide est sensiblement incompressible. Aussi, le fait que l’électrovanne 15 soit ouverte entraîne que le liquide contenu dans les deux enceintes étanches 1, 12 coule de l’une vers l’autre, par effet de vase communiquant, jusqu’à ce que le niveau 2 dans l’enceinte étanche basse 1 soit égal au niveau 3 dans l’enceinte étanche haute 12, tel qu’illustré à la
Bien que le niveau 2 soit égal au niveau 3 dans l’absolu, l’enceinte étanche haute 12 étant située à une altitude supérieure à l’enceinte étanche basse 1, le niveau relatif, soit le niveau de remplissage, est bien plus important dans l’enceinte étanche basse 1 que dans l’enceinte étanche haute 12.Although level 2 is equal to level 3 in absolute terms, since the high sealed enclosure 12 is located at a higher altitude than the low sealed enclosure 1, the relative level, i.e. the filling level, is much higher in the low sealed enclosure 1 than in the high sealed enclosure 12.
Le fait que la première électrovanne 14 soit ouverte entraîne que les pressions de gaz s’équilibrent entre les deux enceintes étanches 1, 12. La pression de gaz dans l’enceinte étanche basse 1 est ainsi égale à la pression de gaz dans l’enceinte étanche haute 12. Cette égalisation des pressions provoque encore dans l’enceinte étanche basse 1, qui était en haute pression, un refroidissement important, bénéfique pour la suite du cycle.The fact that the first solenoid valve 14 is open causes the gas pressures to balance between the two sealed enclosures 1, 12. The gas pressure in the lower sealed enclosure 1 is thus equal to the gas pressure in the upper sealed enclosure 12. This equalization of pressures also causes significant cooling in the lower sealed enclosure 1, which was at high pressure, which is beneficial for the rest of the cycle.
Lors de l’équilibrage des pressions de gaz par ouverture de la première électrovanne 14, la pression est telle que, à température ambiante, le fluide frigorigène soit en phase liquide dans les deux enceintes étanches, l’enceinte étanche basse 1 et l’enceinte étanche haute 12.When balancing the gas pressures by opening the first solenoid valve 14, the pressure is such that, at room temperature, the refrigerant is in liquid phase in the two sealed enclosures, the lower sealed enclosure 1 and the upper sealed enclosure 12.
L’écoulement de liquide via l’électrovanne 15 s’effectue généralement de l’enceinte étanche haute 12 vers l’enceinte étanche basse 1. La baisse du niveau de liquide permet d’atteindre un niveau bas de remplissage en liquide de l’enceinte étanche haute 12. Ce niveau bas est détecté par le détecteur de niveau 10 qui commande en conséquence une fermeture des deux électrovannes 14, 15.The flow of liquid via the solenoid valve 15 generally takes place from the upper sealed enclosure 12 to the lower sealed enclosure 1. The drop in the liquid level makes it possible to reach a low liquid filling level of the upper sealed enclosure 12. This low level is detected by the level detector 10 which consequently controls a closing of the two solenoid valves 14, 15.
Lors de la fermeture des électrovannes 14, 15, l’enceinte étanche basse 1 est remplie de fluide frigorigène majoritairement sous forme liquide et présentant une densité importante, avantageusement comprise entre 0, 8 et 0, 9 g par cm3. Le fluide frigorigène à forte densité est d’autant plus sensible à une élévation de température même faible, qui produit une très forte pression, du fait de l’isolement de l’enceinte étanche basse 1.When the solenoid valves 14, 15 are closed, the lower sealed enclosure 1 is filled with refrigerant fluid, mainly in liquid form and having a high density, advantageously between 0.8 and 0.9 g per cm 3 . The high-density refrigerant fluid is all the more sensitive to even a small temperature rise, which produces a very high pressure, due to the insulation of the lower sealed enclosure 1.
Le fluide frigorigène contenu dans l’enceinte étanche basse 1, maintenant isolée de l’enceinte étanche haute 12, par la fermeture de la première électrovanne 14 et de la deuxième électrovanne 15, est chauffé par le contact avec le deuxième médium chaud circulant dans le deuxième échangeur 4.The refrigerant contained in the lower sealed enclosure 1, now isolated from the upper sealed enclosure 12, by the closing of the first solenoid valve 14 and the second solenoid valve 15, is heated by contact with the second hot medium circulating in the second exchanger 4.
Sous l’effet de cet échauffement la pression dans l’enceinte étanche basse 1 augmente de manière significative. Une élévation de température de quelques degrés Celsius provoque, à la densité où se trouve le fluide frigorigène, une élévation importante de la pression au niveau du ciel gazeux de l’enceinte étanche basse 1.Under the effect of this heating, the pressure in the lower sealed enclosure 1 increases significantly. A temperature rise of a few degrees Celsius causes, at the density where the refrigerant is found, a significant rise in pressure at the level of the gaseous ceiling of the lower sealed enclosure 1.
Ce dernier applique une poussée sur le liquide contenu dans l’enceinte étanche basse 1 qui le conduit via la troisième conduite 6 vers l’entrée du détendeur 7.The latter applies a thrust to the liquid contained in the lower sealed enclosure 1 which carries it via the third pipe 6 towards the inlet of the regulator 7.
En fonction du besoin en production de froid, le détendeur 7 laisse échapper ledit liquide afin que celui-ci rejoigne l’échangeur thermique 8 ou évaporateur. La détente du fluide frigorigène produit du froid au niveau du premier échangeur thermique 8 et le fluide frigorigène sort du premier échangeur thermique 8 sous forme gazeuse. La sortie de l’échangeur thermique 8 est connectée à l’enceinte étanche haute 12. Ainsi, le fluide frigorigène sous forme gazeuse rejoint l’enceinte étanche haute 12 via l’exutoire 9.Depending on the need for cold production, the expansion valve 7 lets said liquid escape so that it reaches the heat exchanger 8 or evaporator. The expansion of the refrigerant produces cold at the first heat exchanger 8 and the refrigerant leaves the first heat exchanger 8 in gaseous form. The outlet of the heat exchanger 8 is connected to the upper sealed enclosure 12. Thus, the refrigerant in gaseous form reaches the upper sealed enclosure 12 via the outlet 9.
Lorsqu’il atteint l’enceinte étanche haute 12 ledit gaz rejoint le ciel gazeux de l’enceinte étanche haute 12 qui se trouve à une densité et à une pression moindre. L’abaissement de la température dans l’enceinte étanche haute 12 permet la liquéfaction du fluide frigorigène.Aussi, le niveau de liquide dans l’enceinte étanche haute 12 augmente en conséquence. Cette augmentation du niveau de liquide n’a pas un effet significatif sur la pression de gaz, car la densité du fluide frigorigène est très faible dans l’enceinte étanche haute 12. Le niveau de liquide augmente jusqu’à atteindre un niveau de liquide haut. Ce niveau de liquide haut est détecté par le détecteur de niveau 10 qui commande alors l’ouverture des première et deuxième électrovannes 14, 15.When it reaches the upper sealed enclosure 12, said gas joins the gaseous sky of the upper sealed enclosure 12 which is at a lower density and pressure. The lowering of the temperature in the upper sealed enclosure 12 allows the liquefaction of the refrigerant . Also, the liquid level in the upper sealed enclosure 12 increases accordingly. This increase in the liquid level does not have a significant effect on the gas pressure, because the density of the refrigerant is very low in the upper sealed enclosure 12. The liquid level increases until it reaches a high liquid level. This high liquid level is detected by the level detector 10 which then controls the opening of the first and second solenoid valves 14, 15.
Le cycle est ici bouclé. Il se reproduit ensuite, sensiblement à l’identique.The cycle is complete here. It then repeats itself, almost identically.
Afin de bien séparer l’évènement d’ouverture des électrovannes 14, 15 et l’évènement de fermeture des électrovannes 14, 15, selon une autre caractéristique, le détecteur de niveau 10 de liquide comprend une hystérésis afin d’éloigner le niveau haut du niveau bas.In order to properly separate the event of opening the solenoid valves 14, 15 and the event of closing the solenoid valves 14, 15, according to another characteristic, the liquid level detector 10 includes a hysteresis in order to distance the high level from the low level.
Selon une autre caractéristique, le détecteur de niveau 10 est basé sur un flotteur placé dans l’enceinte étanche haute 12 afin de flotter sur la surface du liquide. Pour cela, tel qu’illustré à la
Avantageusement, le flotteur 310 est réalisé en matière souple afin de permettre sa déformation pour lui permettre de passer par le goulot 303 de l’enceinte étanche haute 12, cette déformation étant réversible afin de lui permettre de reprendre ensuite sa forme initiale.Advantageously, the float 310 is made of flexible material in order to allow its deformation to allow it to pass through the neck 303 of the upper watertight enclosure 12, this deformation being reversible in order to allow it to then return to its initial shape.
Selon une autre caractéristique, l’hystérésis est réalisée au moyen d’une tige 312, solidaire de l’un des éléments parmi l’élément magnétique 313 ou le flotteur 310, coulissant avec butées distantes dans un fourreau 311 solidaire de l’autre des éléments parmi le flotteur 310 et l’élément magnétique 313.According to another characteristic, the hysteresis is achieved by means of a rod 312, integral with one of the elements among the magnetic element 313 or the float 310, sliding with distant stops in a sheath 311 integral with the other of the elements among the float 310 and the magnetic element 313.
Ainsi, lorsque le flotteur 310 monte avec le niveau de liquide, il emporte avec lui le corps 307, le fourreau 311 et la tige 312 en position repliée dans le fourreau 311. La tige 312 est en butée basse, son extrémité proximale en appui contre le corps 307.Thus, when the float 310 rises with the liquid level, it carries with it the body 307, the sheath 311 and the rod 312 in the folded position in the sheath 311. The rod 312 is at the bottom stop, its proximal end resting against the body 307.
Lorsque l’élément magnétique 313, porté par l’extrémité distale de la tige 312, vient en contact avec le toit de l’enceinte étanche haute 12, il est aimanté et est détecté par le capteur magnétique 314. Ceci correspond au niveau haut de liquide.When the magnetic element 313, carried by the distal end of the rod 312, comes into contact with the roof of the upper sealed enclosure 12, it is magnetized and is detected by the magnetic sensor 314. This corresponds to the high liquid level.
Cette configuration commande l’ouverture des électrovannes 14, 15, ce qui stoppe la montée du niveau de liquide et entraîne la baisse dudit niveau, par écoulement gravitaire.This configuration controls the opening of solenoid valves 14, 15, which stops the rise in the liquid level and causes the said level to fall, by gravity flow.
Lors de la baisse du niveau de liquide, le flotteur 310 redescend. Il entraîne avec lui le corps 307 et le fourreau 311 solidaire du corps 307. La tige 312 toujours aimantée reste en position haute en contact avec le toit de l’enceinte étanche haute 12. Elle reste aimantée au toit et se déploie hors du fourreau 311 jusqu’à ce que la tige 312 vienne en butée haute, son extrémité proximale en contact contre la partie distale du fourreau 311 qui l’attire vers le bas et stoppe l’aimantation, lorsque le flotteur 310 arrive au niveau bas de liquide.When the liquid level drops, the float 310 descends again. It carries with it the body 307 and the sheath 311 secured to the body 307. The rod 312, still magnetized, remains in the high position in contact with the roof of the upper sealed enclosure 12. It remains magnetized to the roof and deploys out of the sheath 311 until the rod 312 comes to the high stop, its proximal end in contact against the distal part of the sheath 311 which attracts it downwards and stops the magnetization, when the float 310 reaches the low liquid level.
La distance entre les deux butées, soit sensiblement la longueur de la tige 312, détermine l’étendue de l’hystérésis et la distance entre le niveau bas et le niveau haut.The distance between the two stops, approximately the length of the rod 312, determines the extent of the hysteresis and the distance between the low level and the high level.
Selon une autre caractéristique, plus particulièrement illustrée à la
Cette enceinte étanche additionnelle 11 est destiné à accueillir uniquement du gaz. Elle sert d’extension à l’enceinte étanche haute 12. Elle permet d’augmenter le volume apte à accueillir du gaz. Ceci permet de diminuer la densité du fluide frigorigène et favorise ainsi la liquéfaction du fluide frigorigène revenant du premier échangeur 8 sous forme gazeuse.This additional sealed enclosure 11 is intended to accommodate only gas. It serves as an extension to the upper sealed enclosure 12. It makes it possible to increase the volume capable of accommodating gas. This makes it possible to reduce the density of the refrigerant and thus promotes the liquefaction of the refrigerant returning from the first exchanger 8 in gaseous form.
Selon une autre caractéristique, l’enceinte étanche additionnelle 11 est située de manière à ce que son point le plus bas se trouve sensiblement à mi-hauteur de l’enceinte étanche haute 12.According to another characteristic, the additional sealed enclosure 11 is located so that its lowest point is approximately halfway up the upper sealed enclosure 12.
Les enceintes étanches 1, 12, 11 peuvent être réalisées par tout moyen en tout matériau apte à tenir la pression. Elles peuvent ainsi être réalisées en matériau composite, en matériau métallique ou encore en béton.The sealed enclosures 1, 12, 11 can be made by any means in any material capable of withstanding pressure. They can thus be made of composite material, metallic material or even concrete.
Selon une autre caractéristique, l’une au moins parmi les enceintes étanches 1, 12, 11, et avantageusement toutes, sont des bouteilles aptes à supporter la pression. Chaque bouteille comprend un unique goulot 303. Ce goulot 303 est disposé vers le bas.According to another characteristic, at least one of the sealed enclosures 1, 12, 11, and advantageously all, are bottles capable of withstanding pressure. Each bottle comprises a single neck 303. This neck 303 is arranged downwards.
Une connexion en partie basse est alors réalisée au niveau du goulot 303. Une telle connexion permet alors de puiser/remplir du liquide. Une connexion en partie haute pourrait être réalisée par un deuxième goulot disposé en partie haute de l’enceinte étanche.A connection in the lower part is then made at the level of the neck 303. Such a connection then makes it possible to draw/fill liquid. A connection in the upper part could be made by a second neck arranged in the upper part of the sealed enclosure.
Cependant, afin de limiter les goulots et d’avantageusement réutiliser des bouteilles ou réservoirs existant, au contraire, une connexion en partie haute est réalisée en passant par le goulot 303 unique, au moyen d’un tube traversant le goulot 303 et remontant vers le haut de la bouteille. Une telle connexion permet de puiser/remplir du gaz.However, in order to limit the necks and advantageously reuse existing bottles or tanks, on the contrary, a connection in the upper part is made by passing through the single neck 303, by means of a tube passing through the neck 303 and rising towards the top of the bottle. Such a connection makes it possible to draw/fill gas.
Avantageusement, ces bouteilles réutilisent des bouteilles de plongée, aptes à supporter une pression de 300 bars, typiquement réalisées en aluminium.Advantageously, these bottles reuse diving bottles, capable of withstanding a pressure of 300 bars, typically made of aluminum.
Tel que détaillé à la
Les tubes capillaires 5, 204, 205 sont avantageusement réalisés en matériau à haute conduction thermique, tel du cuivre, Cu ou de l’aluminium.The capillary tubes 5, 204, 205 are advantageously made of a material with high thermal conductivity, such as copper, Cu or aluminum.
Selon une autre caractéristique, le fluide frigorigène est du dioxyde de carbone, CO2. Ce fluide frigorigène est avantageux en ce qu’il présente des caractéristiques physiques et notamment de changement d’état particulièrement adaptées au fonctionnement de la présente machine thermique 100. De plus le CO2présente avantageusement des caractéristiques parmi les moins nocives en termes de gaz à effet de serre, GES.According to another characteristic, the refrigerant is carbon dioxide, CO 2 . This refrigerant is advantageous in that it has physical characteristics and in particular a change of state that are particularly suited to the operation of the present thermal machine 100. In addition, CO 2 advantageously has characteristics that are among the least harmful in terms of greenhouse gases, GHGs.
Selon une autre caractéristique, le deuxième médium chaud qui apporte son énergie calorique au fluide frigorigène dans le deuxième échangeur 4, est chauffé par un chauffe-eau solaire. Ce chauffage du fluide frigorigène étant le seul apport d’énergie extérieur à la machine thermique utile pour faire fonctionner le moyen de compression, une telle énergie calorique sensiblement gratuite permet avantageusement de produire du froid sensiblement gratuit.According to another characteristic, the second hot medium which provides its heat energy to the refrigerant in the second exchanger 4, is heated by a solar water heater. This heating of the refrigerant being the only external energy supply to the heat engine useful for operating the compression means, such substantially free heat energy advantageously makes it possible to produce substantially free cold.
Un chauffage solaire est une possibilité. Alternativement, tout en conservant l’avantage de la gratuité, la chaleur peut être fournie par une source naturellement chaude, une récupération de chaleur issue d’un process industriel, par exemple issu d’une centrale nucléaire ou encore de la géothermie.Solar heating is one possibility. Alternatively, while retaining the advantage of being free, the heat can be provided by a naturally hot source, heat recovery from an industrial process, for example from a nuclear power plant or even geothermal energy.
De plus, ni le chauffage du deuxième médium chaud, ni le fonctionnement du moyen de compression de l’invention ne produise de bruit. Aussi la machine thermique est avantageusement silencieuse.Furthermore, neither the heating of the second hot medium nor the operation of the compression means of the invention produces noise. Also the thermal machine is advantageously silent.
Le deuxième média chaud peut être tout fluide caloporteur. A titre d’exemple il peut s’agir d’eau glycolée ou de glycol. Le deuxième médium est préférentiellement de l’eau.The second hot medium can be any heat transfer fluid. For example, it can be glycolated water or glycol. The second medium is preferably water.
Selon une autre caractéristique l’enceinte étanche basse 1 comprend encore un capteur de température et/ou un capteur de pression.According to another characteristic, the low sealed enclosure 1 also comprises a temperature sensor and/or a pressure sensor.
Selon une autre caractéristique, le capteur de température est un thermocouple avantageusement disposé dans un capillaire 5, 205 borgne, solitaire et disposé en travers du goulot 303 à l’instar des capillaires 204 du deuxième échangeur 4. Tel qu’illustré à la
Le capteur de pression (non représenté) peut être disposé sur une conduite connectée à l’enceinte étanche basse 1 en partie haute.The pressure sensor (not shown) can be placed on a pipe connected to the lower sealed enclosure 1 in the upper part.
Le capteur de température ou de pression est avantageusement utilisé pour sécuriser la machine thermique 100 en empêchant le fluide frigorigène d’atteindre une température ou une pression critique. Ainsi, dans le cas d’un fluide frigorigène CO2, la température critique est de 31 °C. De même, il existe une pression critique qui peut être observée au moyen du capteur de pression.The temperature or pressure sensor is advantageously used to secure the heat engine 100 by preventing the refrigerant from reaching a critical temperature or pressure. Thus, in the case of a CO 2 refrigerant, the critical temperature is 31 °C. Similarly, there is a critical pressure that can be observed by means of the pressure sensor.
Aussi, dès que l’on approche les conditions critiques, et préférentiellement avant, le deuxième échangeur 4 est utilisé pour refroidir le fluide frigorigène. Pour cela le deuxième médium chaud est remplacé par un troisième médium froid.Also, as soon as critical conditions are approached, and preferably before, the second exchanger 4 is used to cool the refrigerant. For this, the second hot medium is replaced by a third cold medium.
Ce troisième médium froid peut être, typiquement, issu de l’alimentation réseau en eau qui a généralement une température inférieure à 20 °C et peut permettre de refroidir afin de sauvegarder la machine thermique 100.This third cold medium can typically come from the network water supply which generally has a temperature below 20°C and can be used to cool in order to safeguard the thermal machine 100.
Le capteur de pression peut être utilisé pour sécuriser le moyen de compression afin que la pression critique ne soit pas dépassée, comme décrit précédemment.The pressure sensor can be used to secure the compression medium so that the critical pressure is not exceeded, as described previously.
Le capteur de pression peut encore être utilisé pour déclencher une réinitialisation du cycle et un équilibrage des niveaux 2, 3 de liquide et des pressions entre l’enceinte étanche basse 1 et l’enceinte étanche haute 12. Dans ce cas ce capteur de pression observe la pression et lorsque la pression devient inférieure à une valeur seuil prédéterminée, l’ouverture des électrovannes 14, 15 est commandée. Dans ce cas, le capteur de pression remplace le détecteur de niveau 10 pour la détection d’un niveau haut. La fermeture des électrovannes 14, 15 reste commandée par la détection d’un niveau de liquide bas au moyen du détecteur de niveau 10. La valeur seuil de pression prédéterminée est déterminée à partir d’une relation pression produite en fonction du temps de chauffe, pour une valeur au-delà de laquelle la quantité de chaleur devant être apportée par l’échangeur 4 devient trop importante, conduisant à un rendement moindre du moyen de compression et de la machine thermique 100.The pressure sensor can still be used to trigger a cycle reset and a balancing of the liquid levels 2, 3 and the pressures between the lower sealed enclosure 1 and the upper sealed enclosure 12. In this case, this pressure sensor observes the pressure and when the pressure becomes lower than a predetermined threshold value, the opening of the solenoid valves 14, 15 is controlled. In this case, the pressure sensor replaces the level detector 10 for the detection of a high level. The closing of the solenoid valves 14, 15 remains controlled by the detection of a low liquid level by means of the level detector 10. The predetermined pressure threshold value is determined from a pressure relationship produced as a function of the heating time, for a value beyond which the quantity of heat to be supplied by the exchanger 4 becomes too great, leading to a lower efficiency of the compression means and the heat engine 100.
L’invention a été illustrée et décrite en détail dans les dessins et la description précédente. Celle-ci doit être considérée comme illustrative et donnée à titre d’exemple et non comme limitant l’invention à cette seule description. De nombreuses variantes de réalisation sont possibles.The invention has been illustrated and described in detail in the drawings and the preceding description. The latter should be considered as illustrative and given by way of example and not as limiting the invention to this description alone. Numerous variant embodiments are possible.
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