FR3141236A1 - Machine thermique - 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
Description
L’invention concerne une machine thermique pour la production de froid ou groupe froid.
Une machine thermique pour la production de froid peut être réalisée selon différents principes connus.
Il est connu des principes dits à absorption ou adsorption, des principes à effet Peltier, des principes par dessiccation.
Un principe des plus efficients, offrant le meilleur rendement, consiste à utiliser la détente d’un fluide frigorigène gazeux, préalablement comprimé.
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.
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.
De plus, un tel compresseur mécanique est généralement bruyant. Ce qui crée des nuisances sonores.
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.
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.
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.
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.
Ceci permet encore de réaliser une climatisation en passant d’un coût important en énergie électrique, à une quasi-gratuité de l’énergie nécessaire.
Ceci permet encore de réaliser une climatisation silencieuse.
Ceci permet encore de réaliser une climatisation par une compression thermique supprimant les pièces en mouvement et donc toute usure et toute lubrification.
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.
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.
- 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.
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 :
En référence à la , l’invention concerne une machine thermique 100 pour la production de froid. Cette machine thermique 100 est du type par compression et détente d’un fluide frigorigène.
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 , le froid est transmis à un deuxième circuit fermé comprenant un fluide caloporteur et aboutissant à un diffuseur 20. La circulation de fluide caloporteur est contrôlée par l’électrovanne 17.
Ensuite, le fluide frigorigène est à nouveau transmis au moyen de compression, fermant ainsi le circuit.
Selon une caractéristique de l’invention, le moyen de compression comprend une enceinte étanche basse 1 et une enceinte étanche haute 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.
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.
L’enceinte étanche haute 12 est située plus haut que l’enceinte étanche basse 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.
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.
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.
Telle que détaillée à la , l’enceinte étanche haute 12 comprend encore un détecteur de niveau 10 de liquide. Ce détecteur de niveau 10 est utilisé pour commander la première électrovanne 14 et la deuxième électrovanne 15. Sur détection d’un niveau haut, les deux électrovannes 14, 15 sont commandées en position ouverte. Sur détection d’un niveau bas, les deux électrovannes 14, 15 sont commandées en position fermée.
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.
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.
Comme visible sur la , la connexion via la troisième conduite 6 entre l’enceinte étanche basse 1 et le détendeur 7 est une connexion permanente. Le piquage de la troisième conduite 6 est réalisé à gauche de l’électrovanne 15.
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.
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.
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.
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.
Supposons que l’on démarre la description du cycle de fonctionnement à l’ouverture des électrovannes 14, 15.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Le cycle est ici bouclé. Il se reproduit ensuite, sensiblement à l’identique.
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.
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 , le détecteur de niveau 10, 301 comprend un flotteur 310 apte à flotter sur la surface du liquide frigorigène. Ce flotteur 310 est solidaire d’un élément magnétique 313 et l’entraîne dans son mouvement vertical lorsqu’il monte ou descend avec le niveau de liquide. Cet élément magnétique 313 est apte à être aimanté et détecté par un capteur magnétique 314. Ce capteur magnétique 314 est avantageusement disposé à l’extérieur de l’enceinte étanche haute 12.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Selon une autre caractéristique, plus particulièrement illustrée à la , la machine thermique 100 comprend encore une enceinte étanche additionnelle 11. Cette enceinte étanche additionnelle 11 est située plus haut que l’enceinte étanche haute 12 et est connectée par une quatrième conduite 13 en partie haute de l’enceinte étanche haute 12. Cette connexion est avantageusement permanente. Le piquage de la quatrième conduite 13 est disposé à droite de l’électrovanne 14.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Avantageusement, ces bouteilles réutilisent des bouteilles de plongée, aptes à supporter une pression de 300 bars, typiquement réalisées en aluminium.
Tel que détaillé à la , vue en détail du goulot de l’enceinte étanche basse 1, le deuxième échangeur 4 comprend une pluralité de tubes capillaires 204. Ces tubes capillaires 204 traversent le goulot 303. Ils sont bouclés par connexion deux à deux afin de permettre une circulation dans le volume de l’enceinte étanche basse 1 depuis un pompage disposé à l’extérieur de l’enceinte étanche basse 1.
Les tubes capillaires 5, 204, 205 sont avantageusement réalisés en matériau à haute conduction thermique, tel du cuivre, Cu ou de l’aluminium.
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.
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.
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.
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.
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.
Selon une autre caractéristique l’enceinte étanche basse 1 comprend encore un capteur de température et/ou un capteur de pression.
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 , ce capillaire 5 est avantageusement arqué de manière à éloigner le thermocouple des autres capillaires 204 où circule le deuxième medium chaud et ne pas perturber la mesure par la chaleur apportée par le deuxième médium chaud via le deuxième échangeur 4.
Le capteur de pression (non représenté) peut être disposé sur une conduite connectée à l’enceinte étanche basse 1 en partie haute.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Claims (13)
- Machine thermique (100) 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 (7) apte à détendre le fluide frigorigène en réduisant sa pression et un premier échangeur thermique (8), 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, caractérisé en ce qu e le moyen de compression comprend une enceinte étanche basse (1) remplie de fluide frigorigène en équilibre de phase et un deuxième échangeur (4) 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 (1), une enceinte étanche haute (12) remplie de fluide frigorigène en équilibre de phase, 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), l’enceinte étanche basse (1) et l’enceinte étanche haute (12) étant connectées 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) de liquide apte à commander la première électrovanne (14) et la deuxième électrovanne (15) ouvertes pour un niveau haut et fermées pour un niveau bas.
- Machine thermique (100) selon la revendication 1, où l’enceinte étanche basse (1) est connectée en partie basse, par une troisième conduite (6), à l’entrée du détendeur (7), où la sortie du détendeur (7) est connectée à l’entrée du premier échangeur thermique (8), et où la sortie du premier échangeur thermique (8) est connectée à l’enceinte étanche haute (12) en partie haute.
- Machine thermique (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où 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).
- Machine thermique (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où le détecteur de niveau (10) de liquide comprend une hystérésis afin d’éloigner le niveau haut du niveau bas.
- Machine thermique (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où le détecteur de niveau (10) de liquide comprend un flotteur (310) disposé dans l’enceinte étanche haute (12) de manière à flotter sur la surface du liquide, solidaire d’un élément magnétique (313) apte à être aimanté et détecté par un capteur magnétique (314) disposé à l’extérieur de l’enceinte étanche haute (12).
- Machine thermique (100) selon l’une quelconque des revendications 4 ou 5, où l’hystérésis est réalisée au moyen d’une tige (312), solidaire de l’élément magnétique (313), respectivement du flotteur (310), coulissant avec butées distantes dans un fourreau (311) solidaire du flotteur (310), respectivement de l’élément magnétique (313), la distance entre les butées déterminant l’étendue de l’hystérésis.
- Machine thermique (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant encore une enceinte étanche additionnelle (11), située plus haut que l’enceinte étanche haute (12) et connectée par une quatrième conduite (13) en partie haute de l’enceinte étanche haute (12).
- Machine thermique (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où les enceintes étanches (1, 12, 11) sont des bouteilles comprenant un unique goulot (303), disposé vers le bas, une connexion en partie basse étant réalisée au niveau du goulot (303), afin de puiser/remplir du liquide, et une connexion en partie haute étant réalisée par un tube traversant le goulot (303) et remontant vers le haut de la bouteille, afin de puiser/remplir du gaz.
- Machine thermique (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où le deuxième échangeur (4) comprend une pluralité de tubes capillaires formant des boucles plongeant dans l’enceinte étanche basse (1) et débouchant au travers d’un goulot (303).
- Machine thermique (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où le fluide frigorigène est du dioxyde de carbone, CO2.
- Machine thermique (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où le deuxième médium est chauffé par un chauffe-eau solaire et est préférentiellement de l’eau.
- Machine thermique (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où l’enceinte étanche basse (1) comprend encore un capteur de température et ou un capteur de pression.
- Machine thermique (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, où 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.
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| CN216408920U (zh) * | 2021-12-24 | 2022-04-29 | 上海诺通新能源科技有限公司 | 一种双热源热工混合压缩热泵蒸汽系统 |
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2022
- 2022-10-19 FR FR2210799A patent/FR3141236A1/fr active Pending
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2023
- 2023-09-29 WO PCT/EP2023/077084 patent/WO2024083477A1/fr active Search and Examination
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