FR2943770A1 - Installation et procede pour la production de froid et/ou de chaleur - Google Patents

Abstract

L'invention porte sur installation pour la production de froid et/ou de chaleur. Elle comprend une machine thermodynamique motrice et une machine thermodynamique réceptrice. La machine motrice comprend des moyens pour faire circuler un fluide de travail G et un évaporateur E , au moins un cylindre de transfert CT qui contient un liquide de tranfert LT dans sa partie inférieure et le fluide de travail G sous forme de liquide et/ou de vapeur au dessus-du liquide de transfert ; un condenseur C ; au moins un dispositif BS de séparation des phases liquide et vapeur de G ; un dispositif permettant la pressurisation de G à l'état liquide. La machine réceptrice comprend des moyens pour faire circuler un fluide de travail G un condenseur C ; au moins un dispositif BS de pressurisation ou de détente et de séparation des phases liquide et vapeur de G ; éventuellement un détendeur D ; un évaporateur E ; au moins un cylindre de transfert CT qui contient LT dans sa partie inférieure et G sous forme de de liquide et/ou de vapeur, au-dessus du liquide de transfert ; les cylindres CT et CT sont reliés par au moins une conduite obturable par des actionneurs et dans laquelle peut circuler exclusivement LT.

Description

B0869FR 2943770 1

La présente invention concerne une installation pour la production de froid et/ou de chaleur .

Arrière-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. Il 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 2ème 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'effectuer des compressions ou des détentes de mélanges biphasiques. Selon l'art antérieur actuel, on ne sait pas réaliser correctement ces transformations. B0869FR 2943770 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). 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. Par ailleurs des procédés dits à absorption , adsorption ou à réaction chimique ont été développés pour des finalités de production de froid à Tb et/ou de chaleur à température intermédiaire à Tm en utilisant essentiellement de la chaleur à haute température à Tb comme source d'énergie externe, mais aussi un peu de travail pour assurer notamment la circulation des fluides caloporteurs. Lorsque la finalité du procédé est la production de froid, son efficacité est quantifiée par un coefficient de performance COP3, rapport "froid produit" / "énergie coûteuse (chaleur à haute température et travail) consommée". Lorsque la finalité du procédé est la production de chaleur à une température utile Tm, son efficacité est quantifiée par un coefficient d'amplification COA3, rapport "chaleur délivrée à Tm" / "énergie coûteuse (chaleur à haute température et travail) consommée". L'association d'une machine de Carnot motrice, fonctionnant entre les températures ThM et TbM et d'une machine de Carnot réceptrice, fonctionnant entre les températures TbR et ThR, pourrait assurer les mêmes fonctions que les dits procédés à absorption , adsorption ou à réaction chimique Si tout le travail fourni par la machine de Carnot motrice est récupéré par la machine de Carnot réceptrice. Dans le cas général, les températures ThM, TbM, ThR et TbR sont distinctes, et l'association des deux machines de Carnot est appelée machine de Carnot quadritherme . Toutefois, certaines températures peuvent être confondues (TbM = ThR = Tm ou bien ThM = TbR = Tm), l'association des deux machines de Carnot est alors appelée machine de Carnot tritherme . Les coefficients de performance ou d'amplification de tout procédé tritherme ou quadritherme sont au mieux égaux à ceux, notés COPC3 ou COPC4 ou COAC3 ou COAC4, des machines de Carnot tritherme ou quadritherme fonctionnant entre les mêmes niveaux de températures, mais ils sont généralement inférieurs. En pratique les procédés à absorption, adsorption ou à réaction chimique de l'état de l'art actuel ont des efficacités bien inférieures à celles des machines de Carnot tri- ou quadritherme correspondantes. Typiquement les rapports COP3/COPC3 sont de l'ordre de 0,3. B0869FR 2943770 3 En outre de nombreux procédés à absorption, adsorption ou à réaction chimique utilisent l'eau à faible pression (<10 kPa) comme fluide de travail, ce qui nécessite une parfaite étanchéité vis-à-vis de l'extérieur et induit des solutions techniques délicates à mettre en oeuvre pour l'intégration des différents éléments de la machine dans une même enceinte en dépression. La présente invention Le but de la présente invention est de fournir une installation thermodynamique tritherme ou quadritherme fonctionnant selon un cycle proche des cycles de Carnot, améliorée par rapport aux installations de l'art antérieur, c'est-à-dire une installation qui fonctionne avec un changement d'état liquide/vapeur des fluides de travail pour conserver l'avantage des faibles surfaces de contact requises, tout en limitant de façon substantielle les irréversibilités dans les cycles moteur et récepteur de l'installation tri- ou quadritherme au cours des étapes adiabatiques, ce qui implique de meilleures efficacités COP/COPc ou COA/COAc. Un premier objet de la présente invention est constitué par une installation pour la production de froid et/ou de chaleur. Un second objet est constitué par un procédé de production de froid et/ou de chaleur à l'aide de ladite installation. Une installation tritherme ou quadritherme selon la présente invention, pour la production de froid et/ou de chaleur, comprend une machine thermodynamique motrice et une machine thermodynamique réceptrice, et elle est caractérisée en ce que a) la machine motrice comprend d'une part des moyens comprenant des conduites et des actionneurs pour faire circuler un fluide de travail GM et d'autre part, dans l'ordre de circulation dudit fluide de travail GM: un évaporateur EM; au moins un cylindre de transfert CTM qui contient un liquide de tranfert LT dans sa partie inférieure et le fluide de travail GM sous forme de liquide et/ou de vapeur au dessus-du liquide de transfert ; - un condenseur CM ; au moins un dispositif BSM de séparation des phases liquide et vapeur du fluide de travail GM ; un dispositif permettant la pressurisation du fluide de travail GM à l'état liquide ; B0869FR 2943770 4 b) la machine réceptrice comprend d'une part des moyens comprenant des conduites et des actionneurs pour faire circuler un fluide de travail GR et d'autre part, dans l'ordre de circulation dudit fluide de travail GR : un condenseur CR; au moins un dispositif BSR de pressurisation ou de détente et de séparation des phases liquide et vapeur du fluide de travail GR ; - éventuellement un détendeur DR ; - un évaporateur ER ; au moins un cylindre de transfert CTR qui contient le liquide de transfert LT dans sa partie inférieure et le fluide de travail GR sous forme de de liquide et/ou de vapeur, au-dessus du liquide de transfert ; c) les cylindres CTR et CTM sont reliés par au moins une conduite obturable par des actionneurs et dans laquelle peut circuler exclusivement le liquide de transfert LT. Les actionneurs peuvent être des vannes et/ou des clapets. Le dispositif permettant la pressurisation est avantageusement une pompe hydraulique PH. Le procédé de production de froid ou de chaleur à l'aide d'une installation selon la présente invention consiste à faire subir au fluide de travail GM une succession de cycles de Carnot modifiés dans la machine motrice de l'installation, et il est caractérisé en ce que chaque cycle de la machine motrice est initié par apport de chaleur à l'évaporateur EM et initie un cycle de Carnot modifié dans la machine réceptrice par transfert de travail à l'aide du liquide de transfert LT, entre au moins un cylindre de transfert de la machine motrice et au moins un cylindre de transfert de la machine réceptrice. Lors de l'utilisation de l'installation, chaque évaporateur est relié à une source de chaleur et chaque condensenseur est relié à un puits de chaleur, par exemple par l'intermédiaire d'échangeurs de chaleur. Chacun des évaporateurs EM et ER est relié à une source de chaleur, respectivement à la température ThM pour EM et TbR pour ER. Chacun des condenseurs CM et CR est relié à un puits de chaleur, respectivement à la température TbM pour CM et ThR pour CR. Les diverses températures sont telles que TbM < ThM et TbR < ThR. Dans le présent texte : "cycle de Carnot modifié ditherme" signifie un cycle thermodynamique comprenant les étapes du cycle de Carnot, moteur ou récepteur, théorique ou des étapes similaires avec un degré de réversibilité inférieur à 100% ; B0869FR 2943770 "installation quadritherme" désigne une installation qui présentent les caractéristiques a), b) et c) ci-dessus dans laquelle les températures ThM, TbM, ThR et TbR sont différentes ; "installation tritherme" désigne une installation qui présentent les caractéristiques a), b) et c) ci-dessus dans laquelle soit les températures TbM et ThR sont identiques et les températures ThM et TbR sont différentes, soit les températures ThM et TbR sont identiques et les températures TbM et ThR sont différentes ; "environnement" désigne tout élément extérieur à l'installation tri- ou quadritherme telle que que définie par les caractéristiques a), b) et c) ci-dessus. L'environnement comprend notamment les sources et puits de chaleur et les éventuels échangeurs de chaleur ; "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, quasi-réversible. Le degré de réversibilité d'un cycle, qui en pratique est inférieur à 1, peut se quantifier par le rapport entre le rendement (ou le coefficient de performance COP ou d'amplification COA) 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 de 1. "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 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 de l'environnement. Un cycle de Carnot modifié ditherme moteur comprend les transformations successives suivantes : une transformation isotherme avec échange de chaleur entre GM et la source de chaleur à ThM; une transformation adiabatique avec diminution de la pression du fluide de travail GM; B0869FR 2943770 G une transformation isotherme avec échange de chaleur entre GM et le puits de chaleur à TbM; une transformation adiabatique avec augmentation de la pression du fluide de travail GM. Un cycle de Carnot modifié ditherme récepteur comprend les transformations successives suivantes : une transformation isotherme avec échange de chaleur entre GR et la source de chaleur à TbR; une transformation adiabatique avec augmentation de la pression du fluide de travail GR; une transformation isotherme avec échange de chaleur entre GM et le puits de chaleur à ThR; une transformation adiabatique avec diminution de la pression du fluide de travail GR. Lorsque la température ThM est supérieure à la température ThR, l'installation tri- ou quadritherme fonctionne dans le mode dit moteur HT / récepteur BT . La figure la représente un schéma de principe de ce mode de réalisation. Dans ce premier cas, l'application visée est la production de froid à la température TbR inférieure à la température ambiante et/ou la production de chaleur (avec COA> 1) aux températures ThR et TbM supérieures à la température ambiante. Lorsque la température ThM est inférieure à la température ThR, l'installation tri- ou quadritherme fonctionne dans le mode dit moteur BT / récepteur HT . La figure lb représente un schéma de principe de ce mode de réalisation. Dans ce second cas, l'application visée est la production de chaleur à une température ThR supérieure à celles des deux sources de chaleur aux températures TbR et ThM (éventuellement identiques), mais avec un coefficient d'amplification (rapport de la chaleur délivrée à ThR par la chaleur consommée à TbR et ThM) inférieur à l'unité. Plus particulièrement, le procédé selon la présente invention est mis en oeuvre dans une installation selon la présente invention à partir d'un état initial dans lequel : les machines motrice et réceptrice ne sont pas connectées entre elles ; dans chacune des machines, les actionneurs permettant la communication entre leurs différents éléments constitutifs ne sont pas activés ; la température de l'ensemble de l'installation et notamment des fluides GM et GR qu'elle contient est égale à la température ambiante ; B0869FR 2943770 7 le liquide de transfert LT dans les cylindres de transfert moteurs et récepteurs (CTM et CTR) sont à des niveaux intermédiaires compris entre les niveaux minimaux et maximaux dans ces cylindres. et il comprend une succession de cycles de Carnot modifiés. Les premiers cycles constituent la phase de démarrage et ils permettent d'atteindre le régime permanent. Les actions successives réalisées au cours de chaque cycle de la phase de démarrage sont les mêmes que celles du régime permanent, mais leurs effets varient progressivement d'un cycle à l'autre jusqu'à l'obtention du régime permanent, en particulier pour les valeurs des températures et des pressions des fluides de travail GM et GR et des températures des fluides caloporteurs échangeant avec les sources et puits de chaleur. Les actions mises en jeu pendant la phase de démarrage et qui impliquent les échanges avec les sources et puits de chaleur dépendent du mode de fonctionnement choisi, à savoir moteur HT/ récepteur BT ou récepteur HT/ moteur BT . En outre, dans le cas du mode moteur HT/ récepteur BT , elles dépendent aussi de l'application visée, à savoir production de froid ou production de chaleur. Dans le cas où le mode de fonctionnement de l'installation tri- ou quadritherme est moteur HT/ récepteur BT et où l'application visée est la production de froid à une température TbR inférieure à la température ambiante, le premier cycle de démarrage est constitué par : une lère étape qui consiste à réaliser simultanément les actions suivantes : * mise en communication thermique, via un fluide caloporteur, de la source chaude à ThM et de l'évaporateur EM, ce qui a pour conséquence d'augmenter la température et la pression de vapeur saturante de GM dans EM * mise en communication de CTM et EM, ce qui a pour conséquence une évaporation de GM dans EM et un transfert de GM à l'état vapeur de EM vers CTM ; * mise en communication du dispositif BSM et de EM, ce qui a pour conséquence un transfert de GM liquide de BSM vers EM ; * mise en communication des cylindres CTM et CTR, ce qui a pour conséquence un transfert du liquide LT de CTM vers CTR et une compression des vapeurs de GR contenues dans CTR ; * mise en communication du cylindre CTR et CR, ce qui a pour conséquence un transfert des vapeurs de GR de CTR vers CR , une condensation desdites vapeurs dans CR (nécessitant une évacuation de B0869FR 2943770 8 chaleur au puits de chaleur initialement température ambiante mais qui va progressivement atteindre sa valeur nominale ThR supérieure ou égale à la température ambiante) et une accumulation des condensats dans le dispositif BSR ; une 2ème étape qui concerne principalement la machine motrice et qui consiste à réaliser simultanément les actions suivantes : * arrêt de la circulation du fluide GM dans la machine motrice et arrêt de la circulation du fluide GR dans la machine réceptrice, et maintien de la circulation des fluides caloporteurs échangeant avec la source de chaleur à ThM et les puits de chaleur à ThR et TbM ; mise en communication de CTM et CM, ce qui a pour conséquence un transfert de GM de CTM vers CM, une diminution de la pression de GM dans CTM, une condensation de GM dans CM (nécessitant une évacuation de chaleur au puits de chaleur initialement température ambiante mais qui va progressivement atteindre sa valeur nominale TbM supérieure ou égale à la température ambiante) et une accumulation des condensats dans le dispositif BSM ; une 3ème étape qui consiste à réaliser simultanément les actions suivantes : * mise en communication de BSR et de l'évaporateur ER, ce qui a pour conséquence de transvaser une partie du liquide GR de BSR vers ER, la pression de vapeur de GR dans ER étant alors supérieure à celle existant dans CTM ; * mise en communication des cylindres CTR et CTM, l'équilibrage quasi-instantané des pressions qui se produit dans ces deux cylindres ayant pour conséquences : un transfert du liquide LT de CTR vers CTM, une compression des vapeurs de GM contenues dans CTM, - une détente et une évaporation endothermique de GR dans ER, - une condensation des vapeurs de GM dans CM (nécessitant une évacuation de chaleur au puits de chaleur à la température TbM) et l'accumulation des condensats de GM dans BSM. une diminution de la température du fluide GR restant à l'état liquide dans ER jusqu'à la température de saturation pour la pression résultante après la mise en communication de CTR et CTM; une 4ème étape qui concerne principalement la machine réceptrice et qui consiste à réaliser simultanément les actions suivantes : B0869FR 2943770 9 * arrêt de la circulation du fluide GM dans la machine motrice et arrêt de la circulation du fluide GR dans la machine réceptrice, et maintien de la circulation des fluides caloporteurs échangeant avec la source de chaleur à ThM et les puits de chaleur à ThR et TbM ; * mise en communication de BSR et CTR, ce qui a pour conséquence une évaporation de GR dans BSR, un transfert de GR de BSR vers CTR, une augmentation de la pression de GR dans CTR, un échange de chaleur entre le dispositif BSR avec la source à ThR et une consommation de chaleur au niveau de BSR. Dans le mode opératoire ci-dessus, la circulation des fluides peut être gérée à l'aide d'actionneurs placés entre les différents éléments de la machine motrice (pour le fluide GM) ou entre les différents éléments de la machine réceptrice (pour le fluide GR). Les actionneurs peuvent être avantageusement des vannes, éventuellement couplées à un dispositif de pressuration tel que par exemple une pompe hydraulique (notamment entre le dispositif BSM et l'évaporateur EM de la machine motrice) ou un détendeur (notamment entre le dispositif BSR et l'évaporateur ER de la machine réceptrice. À l'issue de ce ter cycle le niveau de LT est maximal dans CTM, minimal dans CTR, la température de GM est proche de ThM dans EM en restant inférieure à ThM, et proche de TbM dans CM en restant supérieure à TbM, la température de GR est proche de ThR dans CR et BSR en restant supérieure à ThR et la température de GR dans ER est inférieure à sa température initiale. Chaque cycle induit une diminution de la température GR dans ER. Lorsque la température de GR dans ER atteint une valeur proche de TbR (par valeur inférieure), la phase de démarrage est terminée et on fait circuler le fluide caloporteur dans l'évaporateur ER, qui produit alors du froid à la température TbR. Le régime permanent est atteint. Les cycles suivants de l'installation tri- ou quadritherme sont identiques à ceux des cycles de démarrage (à compter du deuxième) excepté le fait que cette fois toutes les sources et puits de chaleur sont connectés. Lorsque le mode de fonctionnement de l'installation tri- ou quadritherme est moteur HT/ récepteur BT et l'application visée est la production de chaleur aux températures TbM et ThR (éventuellement identiques) supérieures à la température ambiante, sachant que l'on dispose des sources de chaleur à ThM et TbR, la phase de démarrage de ladite machine est similaire à la phase de démarrage susdécrite. La différence ne porte que sur la phase transitoire de mise en température avant connexion du fluide caloporteur. Dans le cas précédent cette phase transitoire B0869FR 2943770 concernait GR dans ER, alors que dans le cas présent, elle concerne GR dans CR et GM dans CM. De la même façon, lorque le mode de fonctionnement de l'installation tri- ou quadritherme est récepteur HT/moteur BT et l'application visée est la production de chaleur à la température ThR supérieure à la température de sources de chaleur à TbR et ThM (éventuellement identiques), à partir d'un puits de chaleur à TbM, la phase de démarrage de ladite machine est similaire à la phase de démarrage décrite ci-dessus, excepté le fait que la phase transitoire de mise en température à ThR avant connexion du fluide caloporteur concerne GR dans CR. Le fluide de travail GT (désignant indifféremment GR ou GM) et le liquide de transfert LT sont choisis de telle sorte 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 entre les cylindres CTM et CTR. Ledit moyen peut consister par exemple en une membrane souple interposée entre GT et LT, ladite membrane créant une barrière imperméable entre les deux fluides mais n'opposant 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 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 flotteur peut constituer une résistance thermique très efficace. Les deux solutions (membrane et flotteur) peuvent être combinées. La figure 2a représente un cylindre de transfert CT contenant un liquide de transfert LT et un fluide de travail GT non miscibles, LT étant plus dense que GT liquide. 1 désigne la conduite permettant la sortie ou l'entrée du liquide de transfert, 2 et 3 désignent les conduites permettant l'entrée et la sortie de GT, et 4 désigne un revêtement isolant thermique. La figure 2b représente un cylindre de transfert dans lequel LT et CT sont séparés par une membrane souple 5 fixée à la partie supérieure du cylindre LT par exemple par une bride 6. La figure 2c représente un cylindre de transfert dans lequel LT et GT sont séparés par un flotteur 7. B0869FR 2943770 11 Le liquide de transfert LT est choisi parmi les liquides qui ont une faible pression de vapeur saturante à la température de fonctionnement de l'installation, 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. 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 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 installation selon l'invention peut également fonctionner avec une solution non azéotropique en tant que fluide de travail. 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 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 3 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 fonction de la température T (en °C) donnée en abscisse. De manière générale, les fluides de travail GR et GM et les liquides de transfert LT sont choisis d'abord en fonction des températures des sources de chaleur et des puits de 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. Le fluide GT peut être dans les enceintes CTM ou CTR à l'état de mélange biphasique liquide/vapeur à l'issue de l'étape de détente adiabatique pour le cycle de B0869FR 2943770 12 Carnot ditherme modifié moteur ou de compression adiabatique pour le cycle de Carnot ditherme modifié récepteur. Dans ce cas la phase liquide de GT peut s'accumuler 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 CTM ou CTR avant la connexion desdites enceintes avec leurs condenseurs respectifs CM ou CR, 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 CTM ou CTR à la fin des étapes de mise en communication des enceintes CTM ou CTR et de leur condenseurs respectifs, à une valeur supérieure à celle du fluide de travail GT, à l'état liquide dans lesdits condenseurs, de sorte qu'il n'y ait pas de GT liquide dans CTM ou CTR à cet instant. Dans un mode de réalisation, l'installation comprend des moyens d'échange de chaleur entre d'une part les sources et puits de chaleur qui sont à des températures différentes, et d'autre part les évaporateurs, condenseurs et éventuellement le fluide de travail GT dans les enceintes de transfert CTM et CTR de façon à éliminer tout risque de condensation de GM dans CTM ou GR dans CTR. La figure 4 représente un mode de réalisation d'un cyclindre de transfert qui permet un échange de chaleur. Ledit cylindre comprend un double enveloppe 8 dans laquelle un fluide calo-porteur peut circuler, avec une entrée 9 et une sortie 10 pour ledit fluide caloporteur. Dans le présent texte, un élément comprenant un cylindre de transfert CTM et un cylindre de transfert CTR est désigné par "élément CTM/CTR". Dans un ter mode de réalisation, correspondant à une configuration de base, une installation selon la présente invention comprend un seul élément CTM/CTR. Dans un 2ème mode de réalisation, une installation comprend deux éléments CTM/CTR désignés par CTM/CTR et CTM'/CTR'. Dans un 3ème mode de réalisation, une installation comprend deux éléments CTM/CTR et CTM>/CTR', deux dispositifs de pressurisation distincts désignés par BSMI et BSM2 pour la machine motrice, et deux dispositifs de pressurisation distincts désignés par BSRI et BSR2 pour la machine réceptrice. La figure 5 représente un exemple d'installation selon la configuration de base du ter mode de réalisation (désigné par U0), c'est-à-dire comprenant un seul élément élément CTM/CTR. Dans cet exemple : la machine motrice comprend : * une pompe hydraulique PH assurant la circulation du fluide à l'état liquide ; B0869FR 2943770 13 * un évaporateur EM raccordé à une source de chaleur à température ThM; * un cylindre de transfert CTM contenant en partie inférieure un liquide de transfert LT, et en partie supérieure le fluide moteur GM ; * un condenseur CM ; * une bouteille séparatrice BSM qui récupère les condensats ; * des électrovannes EV, et EVd sur les conduites entre CTM et respectivement l'évaporateur EM et le condenseur CM ; * une électrovanne EVa entre BSM et la pompe hydraulique PH ; la machine réceptrice comprend : * un évaporateur ER ; * un cylindre de transfert CTR contenant en partie inférieure le même liquide de transfert LT, et en partie supérieure le fluide récepteur GR ; * un condenseur CR ; * une bouteille séparatrice BSR qui récupère les condensats et qui assure en outre ponctuellement la fonction d'évaporateur à la température ThR ; * un détendeur de liquide D ; * des électrovannes EV1 et EV2 sur les conduites entre CTR et respectivement l'évaporateur ER et le condenseur CR ; * une électrovanne EV3 entre BSR et le détendeur D ; les machines motrice et réceptrice sont reliées par une conduite connectée à la partie inférieure de CTR et de CTM obturable par la vanne EVT . Dans le mode de réalisation de la figure 5 qui correspond à la configuration de base U0, chacun des cylindres de transfert représenté est isolé thermiquement de l'environnement et correspond à la figure figure 2a. Il pourrait être remplacé par un cylindre maintenu à une température suffisante pour empêcher toute condensation de GM (ou GR) dans CTM (CTR), selon la forme représentée sur la figure 4. Les cycles thermodynamiques suivis par les fluides récepteur GR et moteur GM dans l'installation selon la variante UO sont décrits dans le diagramme de Mollier (respectivement Figure 6a et 6b), qui représente LnP (logarithme de la pression) en fonction de h (enthalpie massique du fluide) et dans le diagramme de Clausius-Clapeyron (Figures 6c et 6d), qui donne Ln(P) en fonction de (-1/T). La position relative des droites d'équilibre pour les fluides GR et GM dans le diagramme de Clausius-Clapeyron diffère selon que le mode de fonctionnement de l'installation tri- ou quadritherme est de type moteur HT / récepteur BT (Figure 6c) ou de type récepteur HT/ moteur BT (Figure 6d) B0869FR 2943770 14 Un cycle de fonctionnement d'une installation selon la figure 5 est constitué de 4 phases successives débutant respectivement aux instants ta, tp, ty et ts qui sont décrites ci-après dans le cas du mode de fonctionnement moteur HT / récepteur BT . La description d'un cycle est faite pour un fonctionnement en régime permanent. Sauf indication contraire, les électrovannes sont fermées. Phase a f3 (entre les instants ta et tg) À l'instant précédant immédiatement ta, le niveau du liquide de transfert LT est bas (noté B) dans le cylindre CTR et haut (noté H) dans le cylindre CTM et la pression des vapeurs saturantes des fluides récepteur et moteur est basse et égale à Pb dans les deux cylindres. C'est à cet instant du cycle que correspond la configuration de l'installation représentée schématiquement à la figure 5. À l'instant ta, on ouvre EV2 ce qui met en communication le cylindre CTR, le condenseur CR et la bouteille séparatrice BSR dans laquelle la pression de vapeur du fluide récepteur GR est égale à Ph. La pression dans le cylindre CTR est alors imposée rapidement par l'équilibre liquide-vapeur de GR dans la bouteille BSR, cette dernière remplissant alors la fonction d'évaporateur noyé. La chaleur nécessaire à l'évaporation de GR dans BSR est fournie à la température ThR. Entre les instants ta et tp, le fluide GR contenu dans le cylindre CTR suit la transformation 1ù*2 décrite dans les figures 6a et 6c. Phase 3y (entre les instants t2 et ty) À l'instant tp, c'est-à-dire lorsque la pression de GR dans CTR atteint la valeur Ph, on laisse EV2 ouverte et simultanément on ouvre les électrovannes EVa, EVc, EVT et on met en marche le circulateur PH. Les conséquences sont : au niveau du circuit moteur : Le liquide GM est aspiré dans la bouteille BSM, refoulé par le circulateur dans EM où il s'évapore en prenant de la chaleur à la source chaude à ThM. Le débit d'introduction de GM liquide dans l'évaporateur est égal au débit de vapeur saturée en sortie, de sorte que cet évaporateur reste toujours rempli et garde une efficacité constante pour l'échange thermique. Les vapeurs saturées de GM occupant un volume plus important que GM liquide, le liquide de transfert dans le cylindre CTM est refoulé vers le bas. Durant cette phase h, le fluide GM suit les transformations aù>bù>b1ù c décrites dans les figures 6b et 6c. La chaleur nécessaire au chauffage du liquide sous-refroidi (transformation bù bi) puis à l'évaporation de GM (transformation bl- >c) est fournie par la source chaude à haute température ThM. Un faible travail Wab est consommé par le circulateur pour la transformation aù>b B0869FR tandis qu'un travail plus important Wh est transféré durant la transformation b1- *c vers le circuit récepteur par l'intermédiaire du liquide de transfert LT jouant le rôle d'un piston liquide. - au niveau du circuit récepteur : Le liquide de transfert LT dans le cylindre CTR est refoulé jusqu'au niveau haut (noté H), les vapeurs saturées de GR se condensent dans CR et les condensats s'accumulent dans BSR. Durant cette phase 13y le fluide GR suit la transformation 2-X21-->3 décrite dans les figures 6a et 6c. La chaleur de condensation de GR est délivrée à la température ThR. Le sous-refroidissement de GR peut être très faible, voire nul. S'il est nul, les points 21 et 3 de la figure 6a sont confondus. Phase y8 (entre les instants tï et ta) : À l'instant ty, on ferme EVa, EVe, EVT et on ouvre EVd. La pression de vapeur du fluide moteur GM qui était égale à Ph chute rapidement jusqu'à la valeur Pb imposée par l'équilibre liquide-vapeur au niveau du condenseur CM. La chaleur de condensation est évacuée à TbM et les condensats de GM s'accumulent dans la bouteille BSM. Entre les instants ty et ts, le fluide GM contenu dans le cylindre CTM suit la transformation c-~d décrite dans les figures 6b et 6c. Phase Sa (entre les instants ts et ta) À l'instant ts, c'est-à-dire lorsque la pression de GM dans CTM atteint la valeur Pb, on ferme EV2, on laisse EVd ouverte et simultanément on ouvre les électrovannes EV1, EV3 et EVT. Les conséquences sont : - au niveau du circuit récepteur : Le liquide GR est aspiré dans la bouteille BSR, détendu de façon isenthalpique à travers le détendeur D (constitué par un capillaire ou une vanne pointeau) et introduit sous forme bi-phasique dans l'évaporateur ER où il finit de s'évaporer. Les vapeurs saturées de GR produites refoulent vers le bas (noté B) le liquide de transfert dans le cylindre CTR. Durant cette phase Sa le fluide GR suit les transformations 3-+4ù>1 décrites dans les figures 6a et 6c. La chaleur nécessaire à l'évaporation de GR est prélevée à basse température TbR. Le travail Wb est transféré durant la transformation 4ù>l vers le circuit moteur par l'intermédiaire du liquide de transfert LT. - au niveau du circuit moteur : Le liquide de transfert LT dans le cylindre CTM est refoulé vers le haut (noté H), les vapeurs saturées de GM se condensent dans CM et les condensats s'accumulent dans B0869FR 2943770 16 BSM. Durant cette phase 8a le fluide GM suit la transformation dù~a décrite dans les figures 6b et 6c. La chaleur de condensation de GM est délivrée à la température TbM. À l'issue de cette phase, l'installation est à nouveau à l'état a du cycle. Le coeur de l'invention se situe pendant les phases ~iy et 8a sur le dispositif de transfert du travail entre le cycle moteur et le cycle récepteur par l'intermédiaire du liquide de transfert LT jouant le rôle d'un piston liquide. Les diverses transformations thermodynamiques suivies par les fluides GR et GM et les niveaux du liquide de transfert LT sont résumés dans le tableau 1. L'état des actionneurs (électrovannes et embrayage de la pompe PH) est résumé dans le tableau 2, dans lequel x signifie que l'électrovanne correspondante est ouverte ou que la pompe PH est embrayée. Tableau 1 Étape Transformations Lieu Niveau de LT CTR CTM aR 1 -> 2 BSR + CR +CTR B H fY a-> b -> b, -, c EM + CTM H-*B 2ù2,->3 BSR+CR+CTR B->H Y8 c -> d CTM H B 8a 3 -> 4-* 1 ER +CTR H- >B d - f a CTM + CM B->1-1 Tableau 2 Étape EV1 EV2 EV3 EVa EV, EVd EVT PH a(3 x RY x x x x x Y8 x x 8a x x x x Dans la configuration de base (dite UO) représentée sur la Fig. 5, la production de froid à TbR ne se fait que pendant la phase 8a tandis que la consommation de chaleur à ThM ne se fait que pendant la phase h. De même les condensations dans les deux condenseurs sont intermittentes. Par rapport à ces phases principales, les phases intermédiaires c43 et y8 ont une durée plus courte. Le caractère intermittent des connexions des évaporateurs et condenseurs avec le reste des circuits moteur ou récepteur est gênant dans la mesure où cela induit des B0869FR 2943770 17 variations notables de température (et donc de pression) dans ces éléments lorsqu'ils sont isolés du point de vue massique (débits de GM ou GR nuls) tout en restant connectés avec les fluides caloporteurs à ThM ou TbR. Par rapport au cas idéal où la température de tous les éléments des circuits moteur et récepteur serait stable, ces fluctuations induisent des irréversibilités et donc une diminution du coefficient de performance global de l'installation tri- ou quadritherme. Toutefois, il est possible d'atténuer ces fluctuations de température en mettant en oeuvre le procédé de l'invention dans une installation qui comprend deux CTM/CTR désignés par CTM/CTR et CTM'/CTR', avec des cycles de Carnot modifiés en opposition de phase, selon un 2ème mode de réalisation. De manière générale, ce 2ème mode de réalisation a pour résultat une amélioration des COP et COA par rapport à la variante UO de la configuration de base représentée sur la Figure 5. Une installation qui comprend deux ensembles CTM/CTR et CTM>/CTR' et qui fonctionne selon des cycles de Carnot modifiés en opposition de phase permet en outre, moyennant l'ajout d'éléments complémentaires, divers types de récupérations d'énergie : selon une variante, dite "UL", de l'énergie est récupérée par une machine réceptrice à partir d'une machine motrice, par l'intermédiaire du liquide de transfert LT ; selon une variante, dite "UG", de l'énergie est récupérée par la machine motrice ou réceptrice, par l'intermédiaire de la phase gazeuse (respectivement GM ou GR) ; selon une variante, dite "ULG", de l'énergie est récupérée par l'intermédiaire du liquide de transfert et par l'intermédiaire de la phase gazeuse, ce qui constitue une combinaison des variantes UL et UG. Dans les trois variantes, les récupérations d'énergie induisent des augmentations des COP et COA de l'installation tri- ou quadritherme. La figure 7 représente une installation selon le 2ème mode de réalisation, c'est-à-dire comprenant deux éléments "cylindre de transfert CTM/cylindre de transfert CTR", qui permet la variante de base avec des cycles en opposition de phases, dite "UO OP" ou la variante "UL". Dans une installation selon la figure 7 : le circuit moteur comprend : * une pompe hydraulique PH assurant la circulation du fluide à l'état liquide ; * un évaporateur EM raccordé à une source de chaleur à ThM (non représentée) ; B0869FR 2943770 18 * deux cylindres de transfert CTM et CTM' contenant chacun en partie inférieure le liquide de transfert LT, et en partie supérieure le fluide moteur GM * un condenseur CM raccordé à un puits de chaleur à TbM (non représenté); * une bouteille séparatrice BSM qui récupère les condensats ; * des électrovannes EV, et EVe> sur les conduites entre l'évaporateur EM et respectivement CTM et CTM. ; * des électrovannes EVd et EVd' sur les conduites entre le condenseur CM et respectivement CTM et CTM' ; * des électrovannes EV, et EVc> sur les conduites entre l'évaporateur EM et respectivement CTM et CTM' ; * une électrovanne EVa entre BSM et l'évaporateur EM ; le circuit récepteur comprend : * un évaporateur ER raccordé à une source de chaleur à TbR (non représentée); * deux cylindres de transfert CTR et CTR' contenant chacun en partie inférieure le liquide de transfert LT, et en partie supérieure le fluide moteur GR ; * un condenseur CR raccordé à un puits de chaleur à TbR (non représenté); * une bouteille séparatrice BSR qui récupère les condensats et qui assure en outre ponctuellement la fonction d'évaporateur à la température ThR ; * un détendeur de liquide D ; * des électrovannes EV1 et EV1, sur les conduites entre l'évaporateur ER et respectivement les cylindres CTR et CTR' ; * des électrovannes EV2 et EV2> sur les conduites entre le condenseur CR et respectivement le cylindres CTR et CTR' ; * une électrovanne EV3 entre BSR et l'évaporateur ER ; le circuit récepteur et le circuit moteur sont reliés par des conduites connectées à la partie inférieure de CTR, CTR', CTM et CTM> respectivement par les vannes EVR, EVR', EVM, EVM' et EVL permettant de mettre en communication de manière sélective deux cylindres de transfert quelconques. Dans le mode de réalisation de la figure 7, chacun des cylindres de transfert représenté est isolé thermiquement de l'environnement et correspond à la figure figure 2a. Il pourrait être remplacé par un cylindre maintenu à une température suffisante pour empêcher toute condensation de GM (ou GR) dans CTM (CTR), selon la forme représentée sur la figure 4. B0869FR 2943770 19 L'installation représentée sur la figure 7 comprend une machine motrice et une machine réceptrice fonctionnant selon deux cycles en opposition de phase. Le premier cycle met en jeu les cylindres de transfert CTM et CTR et les électrovannes qui leurs sont associées. Le cycle en opposition de phase avec le premier cycle met en jeu les cylindres de transfert CTM> et CTR' et les électrovannes qui leurs sont associées. Les autres éléments (évaporateurs, condenseurs, bouteilles séparatrices, pompe hydraulique ou circulateur et détendeur) sont communs aux deux cycles. La variante UO-OP peut être mise en oeuvre dans une installation selon la figure 7 dans laquelle la vanne EVL est fermée, ou dans une installation similaire ne comportant ni la vanne EVL ni la conduite correspondante. Son fonctionnement n'est pas décrit ici. La variante UL, qui fonctionne nécessairement avec deux cycles en opposition de phase, amène une amélioration supplémentaire des COP et COA pour une augmentation minime de la complexité de l'installation qui permet la variante UO-OP (simple ajout de l'électrovanne EVL). Le cycle de fonctionnement d'une installation selon la figure 7 dans la variante UL est constitué de 6 phases successives débutant respectivement aux instants ta, tp, ty, ts, t, et t?,. La chronologie des étapes est donnée dans le tableau 3. Les transformations suivies par les fluides GR ou GM sont simultanées pour chaque étape et successives d'une étape à la suivante. À la fin de l'étape Xa, on se retrouve dans le même état qu'au début de l'étape a13. Les cycles 1-1m-2-21-3-4-1 suivi par GR et a-b-bi-c-cm-d-a suivi par GM sont tracés dans les diagrammes de Mollier respectifs des figures 8a et 8b. La plupart des transformations subies par les fluides GR et GM restent identiques à celles de l'installation de base représentée sur la figure 5. La différence essentielle, dans cette variante UL, est que du travail est transféré pendant les étapes de dépressurisation partielle de GM pour assurer une pressurisation partielle de GR, c'est-à-dire pendant les étapes a(3 et 8s. Le tableau 4 indique (par X) pour chaque étape si les vannes sont ouvertes et si le circulateur PH fonctionne. Étape a(3 (entre les instants ta et tg) À l'instant précédant immédiatement tu, le niveau du liquide de transfert LT est bas (noté B) dans le cylindre CTR, haut (noté H) dans les cylindres CTR' et CTM et intermédiaire (noté I) dans le cylindre CTM'. En outre, la pression de vapeur saturante des fluides récepteur et moteur est respectivement basse (Pb) et haute (Ph) B0869FR 2943770 20 dans ces deux cylindres CTR et CTM'. C'est à cet instant du cycle que correspond la configuration de l'installation représentée schématiquement à la figure 7. À l'instant ta, on ouvre EVR, EVM' et EVL ce qui met en communication, via le liquide de transfert, le cylindre CTR et le cylindre CTM'. Toutes les autres électrovannes étant fermées, la pression de vapeur du fluide récepteur GR s'équilibre avec celle du fluide moteur GM. La valeur de cette pression intermédiaire Pm se calcule par un bilan d'énergie sur le système fermé constitué des deux cylindres CTR et CTM' en tenant compte de l'équation d'état des fluides GR et GM. Pendant cette étape Je fluide GR contenu dans le cylindre CTR suit la transformation 1ù l n, tandis que le fluide GM contenu dans le cylindre CTM> suit la transformation cù cm (Figure 8). Le travail WL est transféré, via le liquide de transfert de CTM' vers CTR. Le niveau de LT dans le cylindre CTR augmente jusqu'à un niveau intermédiaire I (entre les niveaux B et H) et le niveau de LT dans le cylindre CTM> diminue jusqu'au seuil B. Étape (3y À l'instant ta, on ferme les électrovannes de l'étape précédente ; CTR et CTM> sont alors isolés l'un de l'autre. À l'instant tp, on ouvre EV2 ce qui met en communication le cylindre CTR, le condenseur CR et la bouteille séparatrice BSR dans laquelle la pression de vapeur du fluide récepteur GR est égale à Ph. La pression dans le cylindre CTR est alors imposée rapidement par l'équilibre liquide-vapeur de GR dans la bouteille BSR, cette dernière remplissant alors la fonction d'évaporateur noyé. La chaleur nécessaire à l'évaporation de GR dans BSR est fournie à la température ThR. Au cours de cette étape, le fluide GR contenu dans le cylindre CTR suit la transformation 1 m 2 décrite dans la figure 8a. À l'instant tp, on ouvre également EVd>. La pression de vapeur du fluide moteur GM dans CTM' qui était égale à Pm chute rapidement jusqu'à la valeur Pb imposée par l'équilibre liquide-vapeur au niveau du condenseur CM. La chaleur de condensation est évacuée à TbM et les condensats de GM s'accumulent dans la bouteille BSM. Au cours de cette étape, le fluide GM contenu dans le cylindre CTM' suit la transformation cn,_*d décrite dans la figure 8b. Étape y8 À l'instant tY, c'est-à-dire lorsque la pression de GR dans CTR atteint la valeur Ph et que la pression de GM dans CTM' atteint la valeur Pb, on laisse ouvertes les B0869FR 2943770 21 électrovannes EV2 et EVd>, on ouvre les électrovannes EVR, EVM, EVR', EVM', EVa, EVc, EV3, EV1, et on met en marche le circulateur PH. Les conséquences sont : au niveau de la machine motrice : * impliquant le couple CTM/CTR : le liquide GM est aspiré dans la bouteille BSM, refoulé par le circulateur PH dans EM où il s'évapore en prenant de la chaleur à la source chaude à ThM. Le débit d'introduction de GM liquide dans l'évaporateur est égal au débit de vapeur saturée en sortie, de sorte que cet évaporateur reste toujours rempli et garde une efficacité constante pour l'échange thermique. Les vapeurs saturées de GM occupant un volume plus important que GM liquide, le liquide de transfert dans le cylindre CTM est refoulé du niveau H vers le niveau I. Durant cette phase 78 le fluide GM suit les transformations aù+b-->bjù*c décrites dans la figure 8b. La chaleur nécessaire au chauffage du liquide sous-refroidi (transformation bùbi) puis à l'évaporation de GM (transformation b1ù*c) est fournie par la source chaude à haute température ThM. Un faible travail Wab est consommé par le circulateur pour la transformation a-->b tandis qu'un travail plus important Wh est transféré durant la transformation bloc vers la machine réceptrice par l'intermédiaire du liquide de transfert LT jouant le rôle d'un piston liquide. * impliquant le couple CTM'/CTR' : le liquide de transfert pénétrant dans le cylindre CTM' (en provenance du cylindre CTR') a son niveau qui s'élève de I à H. Les vapeurs de GM sont refoulées dans le condenseur CM où elles se condensent et les condensats s'accumulent dans la bouteille BSM. Dans l'espace gazeux commun à l'ensemble (CTM' + CM + BSM) le fluide GM suit la transformation d---*a décrite dans la figure 8b. La chaleur dégagée par la condensation de GM est délivrée au puits froid à température TbM. Un travail Wb (inférieur au travail Wh) est transféré durant cette transformation d--->a de la machine réceptrice vers la machine motrice par l'intermédiaire du liquide de transfert LT jouant le rôle d'un piston liquide. - au niveau de la machine réceptrice * impliquant le couple CTM/CTR : Le liquide de transfert LT dans le cylindre CTR est refoulé du niveau I au niveau H, les vapeurs saturées de GR se condensent dans CR et les condensats s'accumulent dans BSR. Le fluide GR suit les transformations 2ù>21-->3 décrite dans la figure 8a. La chaleur de condensation de GR est délivrée à la température ThR. Le sous-refroidissement de GR peut être très faible, voire nul. Dans ce dernier cas les points 21 et 3 de la figure 8a sont confondus. B0869FR 2943770 22 * impliquant le couple CTM>/CTR> : Le fluide récepteur GR à l'état de liquide sous-refroidi (ou saturé) s'écoule de BSR vers ER en passant par le détendeur D ; il suit la transformation 3ù> 4 décrite dans la figure 8a. Dans l'évaporateur ER, GR s'évapore (soit la transformation 4ù> 1, figure 8a) et les vapeurs saturées de GR refoulent LT dans CTR' du niveau H au niveau I vers le cylindre CTM'. À la fin de cette étape y8, l'installation tri- ou quadritherme a accompli un demi-cycle. Le deuxième demi-cycle est symétrique du premier avec interversion des cylindres CTM et CTM' d'une part et des cylindres CTR et CTR' d'autre part. Étape 8c Elle est équivalente à la phase a[3 décrite ci-dessus (mêmes transformations cù cm et 1ù> lm), mais cette fois ce sont les cylindres CTM et CTR' qui sont connectés (ouverture des électrovannes EVR' et EVM au lieu de EVR et EVM>) et les variations de niveau de LT dans ces cylindres sont respectivement: I-->B et Bù>I. Étape sX Cette phase est équivalente à la phase f3y décrite ci-dessus (mêmes transformations cm- > d et lmù> 2), mais les cylindres concernés sont CTR' et CTM (ce qui implique les ouvertures des électrovannes EV2, et EVd au lieu de EV2 et EVd'). Étape X.a Cette phase est équivalente à la phase y8 décrite ci-dessus. Les transformations des fluides de travail GM et GR sont les mêmes mais avec interversion des cylindres CTM et CTM' d'une part et des cylindres CTR et CTR> d'autre part. Les variations de niveau de LT dans ces cylindres et les électrovannes ouvertes sont indiquées dans les tableaux 3 et 4.

B0869FR 23 Tableau 3 Étape Transfor- Lieu Variations de niveau de LT mations CTR CTR' CTM' CTM a(3 C -> cm CTM' I --> B 1 -> 1 m CTR B-* 13y cm --+ d CTM' + CM + BSM 1mù+2 CTR+CR+BSR yS d -> a CTM. + CM B -> H aù*b PH b->b1-->c CTM+EM H-> I 2-->2v-->3 CTR+CR+BSR I-*H 3->4 D 4-*1 CTR'+ER H-B (SE C ->Cm CTM 1-> B 1ù>1m CTR' B I E2, cm -> d CTM + CM + BSM 1m->2 CTR'+CR+BSR d ->a CTM+CM B-H a -->b PH b ->bi -~c CTM'+EM H-> I 2ù*21->3 CTR+CR+BSR 1-> H 3-->4 D 4->1 CTR + ER H - B Tableau 4 Étape Électrovannes ouvertes ou circulateur PH en marche 1 1' 2 2' 3 a c c' d d' R R' M M' L P H a3 X X X (3y X X y8 X X X X X X X X X X X 8E X X X c2. X X ~,a X X X X X X X X X X X Dans un 3ème mode de réalisation de l'invention, le dispositif comprend 2 éléments CTM/CTR et les bouteilles séparatrices BS des cycles moteur et récepteur B0869FR 2943770 24 sont dédoublées. Cette variante permet non seulement une récupération partielle d'énergie entre la machine motrice et réceptrice pendant la phase de dépressurisation / pressurisation (ledit transfert étant permis par la présence de deux éléments "cylindre de transfert CTM/cylindre de transfert CTR"), mais aussi une limitation supplémentaire de certaines irréversibilités. Cet avantage est obtenu en évitant un trop fort sous-refroidissement de GM liquide avant son introduction dans l'évaporateur EM à haute température et en visant une détente de GR liquide plus proche de la transformation isentropique que de la transformation isenthalpique. La variante dite "UG" permet des récupérations d'énergie interne (U) au sein des circuits moteur ou récepteur via la phase gazeuse des fluides de travail (respectivement GM ou GR). La variante dite "ULG" combine les deux variantes "UL" et "UG". Une installation correspondant au 3ème mode de réalisation et permettant la variante UG ou la variante ULG comprend une machine motrice telle que représentée sur la figure 9a et une machine réceptrice telle que représentée sur la figure 10a, les deux machines étant connectées via le liquide de transfert LT. Les cycles suivis par les fluides GM et GR sont représentés dans les diagrammes de Mollier respectivement des figures 9b et 1Ob pour la variante UG, et des figures 10c et 10d pour la variante ULG. Une machine motrice selon la figure 9a comprend : * un circulateur PH assurant la circulation du fluide à l'état liquide ; * un évaporateur EM raccordé à une source de chaleur à Tl1M (non représentée) ; * deux cylindres de transfert CTM et CTM' contenant chacun en partie inférieure le liquide de transfert LT, et en partie supérieure le fluide moteur GM; * un Té de bifurcation TBM ; * un condenseur CM raccordé à un puits de chaleur à TbM (non représenté); * une 1èCe bouteille séparatrice BSM1 à une température proche (par valeur inférieure) à celle du puits de chaleur à TbM. * une 2ème bouteille séparatrice BSM2 isolée thermiquement de l'environnement ; * des électrovannes EVc et EVe> sur les conduites entre l'évaporateur EM et respectivement CTM et CTM' ; * des électrovannes EVd et EVd, sur les conduites raccordées à la branche commune du Té TBM et respectivement CTM et CTM', les deux autres branches dudit Té étant raccordées au condenseur CM et à la 2ème bouteille BSM2; * une électrovanne EVf entre une branche de TBM et le condenseur CM ; * une électrovanne EVe entre l'autre branche de TBM et la bouteille BSM2; B0869FR 2943770 25 * une électrovanne EVa entre BSM1 et BSM2 ; * une électrovanne EVb entre BSM2 et l'évaporateur EM. Une machine réceptrice selon la figure l0a comprend : * un évaporateur ER raccordé à une source de chaleur à TbR (non représentée) ; * un Té de bifurcation TBR ; * deux cylindres de transfert CTR et CTR' contenant chacun en partie inférieure le liquide de transfert LT, et en partie supérieure le fluide récepteur GR ; * un condenseur CR raccordé à un puits de chaleur à ThR (non représenté); * une 1ère bouteille séparatrice BSÀ1 maintenue à une température proche de celle du condenseur CR par échange avec le puits/source de chaleur à ThR ; * une 2ème bouteille séparatrice BSR2 isolée thermiquement de l'environnement ; * des électrovannes EV1 et EV1, sur les conduites raccordées à la branche commune du Té TBR et respectivement aux cylindres CTR et CTR., les deux autres branches dudit Té étant raccordées à l'évaporateur ER et à la 2ème bouteille BS12; * des électrovannes EV2 et EV2, sur les conduites entre le condenseur CR et respectivement les cylindres CTR et CTR' ; * une électrovanne EV3 entre BSR1 et BSR2 ; * une électrovanne EV4 entre BSR2 et ER ; * une électrovanne EV5 entre une branche de TBR et la bouteille BSR2 ; * une électrovanne EV6 entre la sortie ER et une branche TBR. Le circuit récepteur et le circuit moteur sont reliés par des conduites connectées à la partie inférieure de CTR, CTR', CTM et de CTM' respectivement par les vannes EVR, EVR', EVM, EVM>. L'électrovanne EVL permet de mettre en communication de manière sélective l'un des cylindres CTM ou CTM, avec l'un des cylindres CTR ou CTR'. Pour la mise en oeuvre de la variante UG, l'électrovanne EVL et la conduite sur laquelle elle est installée ne sont pas utiles. Si elles existent dans l'installation, l'électrovanne EVL est fermée. Dans le mode de réalisation des figures 9 et 10, chaque cylindre de transfert représenté est isolé thermiquement de l'environnement et correspond à la figure figure 2a. Il pourrait être remplacé par un cylindre maintenu à une température suffisante pour empêcher toute condensation de GM (ou GR) dans CTM (CTR), selon la forme représentée sur la figure 4. B0869FR 2943770 26 Le cycle de fonctionnement d'une installation selon la variante UG représentée sur les figures 9a et l0a est constitué de 6 phases successives débutant respectivement aux instants ta, tR, t ,, ts, tE et t~ . La chronologie des étapes est donnée dans le tableau 5. Les transformations suivies par les fluides GR ou GM sont simultanées pour chaque étape et successives d'une étape à la suivante. À la fin de l'étape ?o on se retrouve dans le même état qu'au début de l'étape a[3. Les cycles 1-1;-2-3-3;-4-1 suivi par GR et a-aj-b-bi-c-cj-da suivi par GM sont tracés dans les diagrammes de Mollier respectifs des figures 10b et 9b. La plupart des transformations subies par les fluides GR et GM restent identiques à celles de l'installation de base (U0, figure 5). La différence essentielle, dans cette variante UG est que de l'énergie interne est récupérée pendant les étapes de dépressurisation partielle de GM et de GR pour assurer une pressurisation partielle de respectivement de GM et de GR, ceci s'effectuant pendant les étapes ai3 et Ss. Le tableau 6 indique (par X) pour chaque étape si les vannes sont ouvertes et si le circulateur PH fonctionne. À l'instant précédant immédiatement ta, le niveau du liquide de transfert LT est bas (noté B) dans les cylindres CTR et CTM' et haut (noté H) dans les cylindres CTR' et CTM'. En outre, la pression des vapeurs saturantes des fluides récepteur GR et moteur GM est basse (Ph) dans les cylindres CTR et CTM et haute (Ph) dans les cylindres CTR' et CTM'. Les bouteilles séparatrices BSR2 et BSM2 contiennent respectivement les fluides GR et GM à l'état de liquide saturé et à la même pression haute Ph. C'est à cet instant du cycle que correspond la configuration de l'installation représentée schématiquement par les figures 9a et 10a. Tableau 5 Étapes Transfor- Lieu Variations de niveau de LT mations CTR CTR, CTM, CTM a~3 a ù ai BSM2 c --> c CTM' 1-->1; CTR 3 ù> 3; BSR2 RY a~--~bù>b1 PH+EM cj ù d CTM'+CM+BSM1 1iù2 CTR+CR+BSR1 3;~4 EV4 B0869FR 2943770 27 yô (bùf) b, -> c EM + CTM H ----B d ù a CTM' + CM+ BSM1 B -*H 2-~3 CTR+CR+BSR1 B-> H 4-> 1 ER+CTR, Hù*B Ss a aj BSM2 c cj CTM 1 ù 1; CTR' 3 -->3j BSR2 sX ai -* b--- b1 PH + EM cj ù* d CTM + CM + BSM1 1; -> 2 CTR' + CR + BSR1 3; -> 4 EV4 ~a (bù#) bi ù* c EM + CTM' H ùB d ù*a CTM + CM+ BSM1 B ù* H 2-*3 CTR'+CR+BSR1 B ù* H 4 -* 1 ER + CTR H ù B Tableau 6 Étapes 1 1" 2 2' 3 4 5 6' a b c c' d d' e { R R' M M'' PH _ a(3 X X X X ay X X X X X X ys X X X X X X X X X X X X 8s X X X X E X X X X X X 2a X X X X X X X X X X X X Etape a13 (entre les instants ta et tj) - au niveau du circuit moteur À l'instant ta, on ouvre les électrovannes EVd' et EVe ce qui met en communication le cylindre CTM' et la bouteille BSM2. Le fluide GM suit la transformation a-agi dans la bouteille BSM2, et la transformation c-*ci dans le cylindre CTM'. Les vapeurs saturées à haute pression provenant de CTM' se condensent en partie dans BSM2 en y augmentant la pression et la température de GM. La pression finale Pi se calcule à partir d'un bilan sur la conservation de l'énergie interne du système fermé et adiabatique constitué par les deux éléments (BSM2 et CTM') et prenant en compte l'équation d'état (P versus V,T) et l'équilibre liquide-vapeur de GM. La diminution d'énergie interne ale - Ucj) est compensée par l'augmentation (Uaj - Ua). Ces deux B0869FR 2943770 28 variations d'énergie interne sont notées WGM (= tic ù = Ua~ ù lia) dans la figure 9b bien qu'il ne s'agisse pas d'un échange de travail entre CTM' et BSM2. - au niveau du circuit récepteur Simultanément (à ta), on ouvre les électrovannes EV1 et EV5, ce qui met en communication le cylindre CTR et la bouteille BSR2. Le fluide GR suit la transformation 3-*3; dans la bouteille BSR2 et la transformation 1->l; dans le cylindre CTR. Dans BSR2 une partie du liquide se vaporise ce qui a pour double conséquence d'abaisser sa température et d'élever la pression dans CTR. La pression finale P; se calcule de la même façon que pour mais avec l'équilibre liquide-vapeur de GR. De la même façon, les deux variations d'énergie interne (U3 ù U3i) et (U11ù U1) sont notées par commodité WGR dans la figure 10b bien qu'il ne s'agisse pas d'un échange de travail entre BS et CTR. Étape fiy - au niveau du circuit moteur À l'instant tR, les électrovannes précédentes sont fermées, exceptée l'électrovanne EVd>. On ouvre l'électrovanne EVb et on actionne le circulateur PH ce qui met en communication le dispositif BSM2 et l'évaporateur EM. Le fluide GM, à l'état de liquide saturé, est introduit dans l'évaporateur et suit la transformation aiù>b dans PH, puis la transformation b-+b1 dans EM. Simultanément (à tp) on ouvre l'électrovanne EVf, ce qui met en communication le cylindre CTM' et le condenseur CM. La pression de vapeur du fluide moteur GM qui était égale à pi chute rapidement jusqu'à la valeur Pb imposée par l'équilibre liquide-vapeur au niveau du condenseur CM. La chaleur de condensation est évacuée à TbM et les condensats de GM s'accumulent dans le dispositif BSM1. Entre les instants tp et ty, le fluide GM contenu dans le cylindre CTM' suit la transformation ci--+d. - au niveau du circuit récepteur Au même instant tp on ouvre l'électrovanne EV4 ce qui met en communication le dispositif BSR2 et l'évaporateur ER. Le fluide GR à l'état de liquide saturé suit la transformation isenthalpique 3iù*4 avant d'être introduit dans l'évaporateur ER. Simultanément (à tp) on ouvre l'électrovanne EV2 ce qui met en communication le cylindre CTR, le condenseur CR et la bouteille BSRI. La pression de vapeur du fluide récepteur GR qui était égale à P; dans CTR augmente rapidement B0869FR 2943770 29 jusqu'à la valeur Ph imposée par l'équilibre liquide-vapeur au niveau de BSRI jouant le rôle d'un évaporateur. La chaleur d'évaporation est apportée à ThR et le niveau de GR liquide contenu dans BSR1 diminue au cours de cette étape. Entre les instants tp et t, , le fluide GR contenu dans le cylindre CTR suit la transformation l iù>2. Étape y8 Les électrovannes précédemment ouvertes, exceptées EV4 et EVb, sont maintenues ouvertes et le circulateur PH est arrêté. À l'instant ty, on ouvre également les électrovannes EV 1 EV3, EV6, EVa, EVc, EVR, EVR', EVM et EVM' . Cette étape constitue l'étape principale de ce demi cycle, car c'est celle durant laquelle interviennent les échanges de chaleur utiles entre l'installation tri- ou quadritherme et l'extérieur. L'ouverture des électrovannes EVc, EVM et EVR (avec EV2 déjà ouverte) d'une part et EV1 EV6, EVR' et EVM' (avec EVd, et EVf déjà ouvertes) d'autre part a pour conséquence : au niveau du circuit moteur M: Du fait de l'ouverture de l'électrovanne EVa le fluide GM à l'état de liquide saturé accumulé dans la 1 bouteille séparatrice BSM1 s'écoule par gravité dans la seconde BSM2. Les conséquences sont les suivantes : * impliquant le couple CTM/CTR : Le liquide GM provenant de la bouteille BSM2 se réchauffe (si la transformation (bùb1) n'est pas complètement achevée à l'issue de l'étape précédente) et s'évapore dans EM (transformation blù*c). Les vapeurs saturées de GM produites refoulent le liquide de transfert dans le cylindre CTM du niveau haut jusqu'au niveau bas. La chaleur nécessaire au désousrefroidissement (b-*b1) puis à l'évaporation (blù*c) de GM est fournie par la source chaude à haute température ThM. Le travail W1, est transféré durant la transformation b1ù*c vers le circuit récepteur. * impliquant le couple CTM'/CTR' : Le liquide de transfert provenant de CTR' est refoulé dans le cylindre CTM> du niveau bas jusqu'au niveau haut ; cela correspond à un transfert de travail Wb (inférieur en valeur absolue à Wh) du circuit récepteur vers le circuit moteur. Les vapeurs saturées de GM se condensent (transformation dù *a) dans CM et les condensats passent par la bouteille BSMI puis s'accumulent dans BSM2 (la vanne EVa étant ouverte). La chaleur de condensation de GM est délivrée à la température Tbm. B0869FR 2943770 30 - au niveau du circuit récepteur R Du fait de l'ouverture de l'électrovanne EV3 le fluide GR à l'état de liquide saturé accumulé dans la lère bouteille séparatrice BSR1 s'écoule par gravité dans la seconde B SR2. Les conséquences sont les suivantes : * impliquant le couple CTM/CTR : Le liquide de transfert provenant de CTM est refoulé dans le cylindre CTR du niveau bas jusqu'au niveau haut. Les vapeurs saturées de GR se condensent dans CR et les condensats s'accumulent dans BSR1 (transformation 2-+3). La chaleur de condensation de GR est délivrée à la température ThR. * impliquant le couple CTM'/CTR' : Le fluide GR s'évapore dans ER (transformation 4->1). Les vapeurs saturées de GR produites refoulent le liquide de transfert dans le cylindre CTR> du niveau haut jusqu'au niveau bas. La chaleur nécessaire à l'évaporation de GR est prélevée à basse température TbR. Les étapes du 2ème demi cycle sont symétriques de celles du ler demi cycle avec comme seule modification une simple interversion des cylindres CTM et CTM' d'une part et CTR et CTR' d'autre part (voir Tableaux 5 et 6). Le cycle de fonctionnement d'une installation selon les figures 9a et 10a dans la variante ULG est constitué de 8 phases successives débutant respectivement aux instants ta, tR, ty, tb, t6, t?, t et tw,. La chronologie des étapes avec les transformations suivies par les fluides GR ou GM est donnée dans le tableau 7. À la fin de l'étape wa on se retrouve dans le même état qu'au début de l'étape ari. Les cycles 1-1i-ln,-2-3-3i-4-1 suivi par GR et a-ai-b-bi-c-ci-cm-d-a suivi par GM sont tracés dans les diagrammes de Mollier respectifs des figures 10c et 10d. Les transformations subies par les fluides GR et GM sont une combinaison de celles suivies par les variantes UL et UG de l'installation schématisée par les figures 9a et 10a. Le tableau 8 indique (par X) pour chaque étape si les vannes sont ouvertes et si le circulateur PH fonctionne À l'instant précédant immédiatement ta, le niveau du liquide de transfert LT est bas (noté B) dans le cylindre CTR, intermédiaire (noté I) dans le cylindre CTM' et haut (noté H) dans les cylindres CTR' et CTM. En outre, la pression des vapeurs saturantes des fluides récepteur GR et moteur GM est basse (Pb) dans lés cylindres CTR et CTM et haute (Ph) dans les cylindres CTR' et CTM'. Enfin, les bouteilles séparatrices BSR2 et BSM2 contiennent respectivement les fluides GR et GM à l'état de liquide saturé et à la même pression haute Ph. B0869FR 2943770 31 Tableau 7 Étapes Transformations Lieu Variations de niveau de LT CTR CTR' CTM' CTM a(3 a , ai BSM2 c -> cj CTM' 1->1; CTR 3->3; BSR2 (3y cj ->cm CTM' 1->B 1,->1m CTR BI yb aj->b-- bi PH+EM Cm ù> d CTM' + CM + BSM1 1 m 2 CTR + CR + BSR1 3; 4 EV4 8s (b-~)b;-mec EM +CTM H ->I d->a CTM'+CM+BSM1 B ->H 2 -~3 CTR+CR+BSR1 IùH 4ù1 ER+CTR, H ->B &X a -> ai BSM2 C -> Cj CTM 1 1 CTR' 3 ->3; BSR2 cj ->cm CTM 1B 1iù>1m CTR' B->1 w ai -> b- bi PH + EM cjùd CTM+CM+BSM1 1;ù2 CTR, +CR+BSR1 3; , 4 EV4 wa (bue) b; -mec EM + CTM' H-> I d ùa CTM + CM+ BSM1 B -> H 2->3 CTR, +CR+BSR1 1-> H 4ù1 ER+CTR H ->B Tableau 8 Étape 1 l' 2 2' 3' j 5 6' a b c c'' d' d' e f R R'' M 'Iv1'' L PH _ a(3 X_ X X X Y X X X y8 X X X X X X Ôs X X X X X X X X X X X X B0869FR 2943770 32 Étape 1 1' 2 2' S 4 5 6 a b é c' d d' e f yR R' M M' L PH aî~ X X X X 2x X X X rt(,3 X X X X X X coa X X X X X X X X X X X X Étape a(3 (entre les instants ta, et tfi) - au niveau du circuit moteur À l'instant ta, on ouvre les électrovannes EVd' et EVe ce qui met en communication le cylindre CTM' et la bouteille BSMZ. Le fluide GM suit la transformation a-->ai dans la bouteille BSMZ et la transformation c-*ci dans le cylindre CTM>. Les vapeurs saturées à haute pression provenant de CTM' se condensent en partie dans BSMZ en y augmentant la pression et la température de GM. La pression finale P; se calcule à partir d'un bilan sur la conservation de l'énergie interne du système fermé et adiabatique constitué par les deux éléments (BSMZ et CTM') et prenant en compte l'équation d'état (P versus V,T) et l'équilibre liquide-vapeur de GM. La diminution d'énergie interne (U, ù Uci) est compensée par l'augmentation (Uaj ù Ua) ; ces deux variations d'énergie interne sont notées par commodité WGM (= Uc ù Uri = Uai ù Ua) dans la figure 10d bien qu'il ne s'agisse pas d'un échange de travail entre CTM' et BSMZ. - au niveau du circuit récepteur : Simultanément (à ta), on ouvre les électrovannes EV1 et EV5 ce qui met en communication le cylindre CTR et la bouteille BSRZ. Le fluide GR suit la transformation 3ù>3; dans la bouteille BSRZ et la transformation 1--->l dans le cylindre CTR. Dans BSR2, une partie du liquide se vaporise ce qui a pour double conséquence d'abaisser sa température et d'élever la pression dans CTR. La pression finale P, se calcule de la même façon que pour Pi mais avec l'équilibre liquide-vapeur de GR. De la même façon les deux variations d'énergie interne (U3 ù U31) et (U1i ù U1) sont notées WGR dans la figure 10c bien qu'il ne s'agisse pas d'un échange de travail entre B SR2 et CTR. Étape [3y À l'instant taon ouvre EVR, EVM' et EVL ce qui met en communication, via le liquide de transfert, le cylindre CTR et le cylindre CTM'. Toutes les autres électrovannes étant fermées, la pression de vapeur du fluide récepteur GR s'équilibre avec celle du fluide moteur GM. La valeur de cette pression B0869FR 2943770 33 intermédiaire Pm se calcule par un bilan d'énergie sur le système fermé constitué des deux cylindres CTR et CTM' en tenant compte de l'équation d'état des fluides GR et GM. Pendant cette étape, le fluide GR contenu dans le cylindre CTR suit la transformation 1 iù>1 m tandis que le fluide GM contenu dans le cylindre CTM' suit la transformation cjù>cm (Figure 10c-10d). Le travail WL est transféré, via le liquide de transfert de CTM' vers CTR. Le niveau de LT dans le cylindre CTR augmente jusqu'au niveau intermédiaire I et le niveau de LT dans le cylindre CTM' diminue jusqu'au seuil B. Étape y8 - au niveau du circuit moteur À l'instant ty, les électrovannes précédentes sont fermées, on ouvre l'électrovanne EVb et on actionne le circulateur PH ce qui met en communication la bouteille séparatrice BSM2 et l'évaporateur EM. Le fluide GM, à l'état de liquide saturé, est introduit dans l'évaporateur et suit la transformation aaù>b dans PH, puis la transformation b-*bl dans EM. Simultanément (à ty) on ouvre les électrovannes EVd> et EVf, ce qui met en communication le cylindre CTM' et le condenseur CM. La pression de vapeur du fluide moteur GM qui était égale à Prä chute rapidement jusqu'à la valeur Pb imposée par l'équilibre liquide-vapeur au niveau du condenseur CM. La chaleur de condensation est évacuée à la température TbM et les condensats de GM s'accumulent dans la bouteille BSMZ. Entre les instants ty et ts , le fluide GM contenu dans le cylindre CTM> suit la transformation cm->d. - au niveau du circuit récepteur Au même instant ty, on ouvre l'électrovanne EV4, ce qui met en communication la bouteille séparatrice BSR2 et l'évaporateur ER. Le fluide GR, à l'état de liquide saturé suit la transformation isenthalpique 3;->4 avant d'être introduit dans l'évaporateur ER. Simultanément (à ty), on ouvre l'électrovannes EV2, ce qui met en communication le cylindre CTR, le condenseur CR et la bouteille séparatrice B SRI. La pression de vapeur du fluide récepteur GR, qui était égale à Prä dans CTR, augmente rapidement jusqu'à la valeur Ph imposée par l'équilibre liquide-vapeur au niveau de BSRI jouant le rôle d'un évaporateur. La chaleur d'évaporation est apportée à la température ThR et le niveau de GR liquide contenu dans la bouteille BSR1 diminue au cours de cette étape. Entre les instants ty et 18, le fluide GR contenu dans le cylindre CTR suit la transformation ln,ù>2. B0869FR 2943770 34 Étape 38 Les électrovannes précédemment ouvertes, exceptées EV4 et EVb, sont maintenues ouvertes et le circulateur PH est arrêté. À l'instant ts, on ouvre également les électrovannes EV 1 EV3, EV6, EVa, EVe, EVR, EVR', EVM et EVM' . Cette étape est l'étape principale de ce demi cycle, car c'est durant cette étape qu'interviennent les échanges de chaleur utiles entre la machine de Carnot modifiée tri- ou quadritherme et l'extérieur. L'ouverture des électrovannes EVe, EVM et EVR (EV2 étant déjà ouverte) d'une part, et EV1,, EVR> et EVM> (EVd, et EVf étant déjà ouvertes) d'autre part a pour conséquence: - au niveau du circuit moteur Du fait de l'ouverture de l'électrovanne EVa le fluide GM à l'état de liquide saturé accumulé dans la lère bouteille séparatrice BSMI s'écoule par gravité dans la seconde BSM2. Les conséquences sont les suivantes : * impliquant le couple CTM/CTR : Le liquide GM provenant de la bouteille BSM2 se réchauffe [si la transformation (bù+b1) n'est pas complètement achevée à l'issue de l'étape précédente] et s'évapore dans EM (transformation b1ù*c). Les vapeurs saturées de GM produites refoulent le liquide de transfert dans le cylindre CTM du niveau haut H jusqu'au niveau intermédiaire I. La chaleur nécessaire au désousrefroidissement (bibi) puis à l'évaporation (b1ù c) de GM est fournie par la source chaude à haute température ThM. Le travail W}, est transféré durant la transformation b1ù*c vers le circuit récepteur. * impliquant le couple CTM'/CTR, : Le liquide de transfert provenant de CTR' est refoulé dans le cylindre CTM> du niveau bas jusqu'au niveau haut, ce qui correspond à un transfert de travail Wb (inférieur en valeur absolue à Wh) du circuit récepteur vers le circuit moteur. Les vapeurs saturées de GM se condensent (transformation d- *a) dans CM et les condensats passent par la bouteille BSM1 puis s'accumulent dans BSM2 (la vanne EVa étant ouverte). La chaleur de condensation de GM est délivrée à la température Thm. au niveau du circuit récepteur R: Du fait de l'ouverture de l'électrovanne EV3 le fluide GR à l'état de liquide saturé accumulé dans la lère bouteille séparatrice BSRI s'écoule par gravité dans la seconde BSR2. Les conséquences sont les suivantes : B0869FR 2943770 35 * impliquant le couple CTM/CTR : Le liquide de transfert provenant de CTM est refoulé dans le cylindre CTR du niveau intermédiaire I jusqu'au niveau haut H. Les vapeurs saturées de GR se condensent dans CR (transformation 2ù*3) et les condensats passent par la bouteille BSRI puis s'accumulent dans BSR2 (la vanne EV3 étant ouverte). La chaleur de condensation de GR est délivrée à la température ThR. * impliquant le couple CTM'/CTR> : Le fluide GR s'évapore dans ER (transformation 4ù 1). Les vapeurs saturées de GR produites refoulent le liquide de transfert dans le cylindre CTR' du niveau haut jusqu'au niveau bas. La chaleur nécessaire à l'évaporation de GR est prélevée à basse température TbR. Les étapes du 2ème demi cycle sont symétriques de celles du 1 er demi cycle avec comme seule modification une simple interversion des cylindres CTM et CTM' d'une part et CTR et CTR' d'autre part (voir Tableaux 7 et 8). Les utilisations d'une installation selon la présente invention dépendent notamment de la température des sources de chaleur et des puits de chaleur disponibles et du mode de fonctionnement retenu entre moteur HT / récepteur BT ou moteur BT / récepteur HT . Avec le mode de fonctionnement moteur HT / récepteur BT , représenté schématiquement dans la figure la, la température ThM de la source chaude de la machine motrice est supérieure à la température ThR du puits de chaleur de la machine réceptrice. Dans ce premier cas, les applications visées sont la production de froid à la température TbR inférieure à la température ambiante et/ou la production de chaleur (avec un coefficient d'amplification COA3, rapport de la chaleur délivrée à ThR et TbM par la chaleur consommée à ThM, supérieur à 1) aux températures ThR et TbM supérieures à la température ambiante, les températures ThR et TbM pouvant éventuellement être identiques. À titre indicatif, ce ter mode de fonctionnement permet, moyennant une consommation de chaleur à ThM, d'assurer les fonctions de congélation, réfrigération, climatisation et/ou chauffage de l'habitat. Avec le mode de fonctionnement moteur BT / récepteur HT , représenté schématiquement dans la figure lb, la température ThM est inférieure à la température ThR. Dans ce second cas, l'application visée est la production de chaleur à une température ThR supérieure à celles des deux sources de chaleur aux températures TbR et ThM (éventuellement identiques tel que représenté dans la figure lb), mais avec un coefficient d'amplification (rapport de la chaleur délivrée à ThR par la chaleur consommée à TbR et ThM) cette fois inférieur à l'unité. Ce second mode de fonctionnement permet ainsi de revaloriser des chaleurs rejetées à des températures moyennes. B0869FR 2943770 36 Pour chacun de ces deux modes, l'installation peut fonctionner selon les variantes U0, UO-OP, UL, UG et ULG décrites ci-dessus. Trois exemples d'utilisations possible des installations de la présente ivnention sont décrits plus en détail ci-après, à titre purement illustratif. L'invention n'est cependant pas limitée à ces exemples. Exemple 1 Mise en oeuvre de l'invention pour le rafraîchissement de l'habitat en utilisant de la chaleur fournie par des capteurs solaires plans. Dans cette application, le procédé fonctionne selon le mode moteur HT / récepteur BT . Comme fluides de travail, on peut utiliser le 1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane (HFC R236fa) pour le fluide moteur, et le tétrafluoroéthane (HFC R-134a) pour le fluide récepteur. Ces deux fluides sont inoffensifs pour la couche d'ozone, ininflammables, non toxiques et produits industriellement. La température ThM (issue des capteurs solaires plans) est égale à 65°C. La température TbR requise pour la production de froid dans l'évaporateur ER est fixée à 12°C. Cette température est compatible avec l'usage d'un plancher rafraîchissant dans la maison avec une entrée recommandée du fluide caloporteur à 18°C environ. Avec ces contraintes et vu les équilibres liquide/vapeur de ces fluides (voir figure 3), on en déduit les pressions haute Ph et basse Pb (mentionnées dans les figures 6abc, Bab, 10bcd) ainsi que les températures TbM et ThR : Ph = 8,69 bars ; Pb = 4,43 bars, soient des pressions ni trop basses qui pénaliseraient les transferts des vapeurs de GR ou GM, ni trop hautes qui seraient préjudiciables à la sécurité de l'installation. TbM = 40,3°C ; ThR=34,3°C, soient des températures supérieures à une température ambiante moyenne en été permettant l'évacuation vers l'extérieur de la chaleur dégagée par les condenseurs CR et CM. Une machine de Carnot quadritherme fonctionnant entre ces mêmes températures ThM, TbM, TbR, T'R aurait un COP idéal de : COPC4 = 0,93. On a comparé les performances des variantes UO, UL et ULG de l'installation quadritherme selon l'invention, fonctionnant dans les conditions définies ci-dessus. Les coefficients de performance de l'installation fonctionnant en régime permanent, déterminés par bilan énergétique pour les trois variantes , sont les suivants : B0869FR 2943770 37 COP4 (U0) = 0,025 ; COP4 (UL) = 0,56 ; COP4 (ULG) = 0,34 . Le coefficient de performance de la variante U0 est nettement insuffisant, la variante UO-OP n'apportant qu'une faible amélioration. Le coefficient de performance de la variante UL est très satisfaisant. Lorsqu'il est rapporté au COP maximal de Carnot, on obtient une efficacité exceptionelle (COP4(UL)/COPC4 60%) comparée à l'état de l'art actuel où ce rapport est généralement de 33%. La description des cycles suivis dans les machines motrice et réceptrice qui a été représentée schématiquement à la figure 8 est représenté précisément pour cette application sur les figures 1 la et llb qui représente la pression P (en Mpa) en fonction de l'enthalpie massique h (en kJ/kg) pour HFC R-134a (figure 1 la) et pour HFC R-134a (figure 1 lb). On peut noter que la détente isentropique c-->cr,., aboutit avec le fluide R236fa dans le domaine de la vapeur surchauffée, ce qui est favorable, contrairement au cas représenté à la figure 8b. Exemple 2 Pour une application identique à celle de l'exemple 1, on a comparé les performances de deux installations selon la variante ULG et de deux installations selon la variante UL, pour chacune des variantes, l'une des installations fonctionnant dans les conditions de l'exemple 1, l'autre dans les conditions différentes, qui sont indiquées dans le tableau suivant. Ex 1 Ex2 GM 1,1,1,3,3,3-hexafluoropropane n-pentane GR tétrafluoroéthane Isobutane Source chaude ThM 65°C 94,2°C COP4ULG 0,34 0,51 COP4UL 0,56 0,36 Ainsi en utilisant l'isobutane comme fluide récepteur et le n-pentane comme fluide moteur, avec le même objectif de production de froid à 12°C mais en ayant une source chaude à 94,2°C (=ThM), les COP des variantes UL et ULG deviennent respectivement COP4(UL)=0,36 et COP4(ULG)=0,51, ces résultats étant à comparer au COP maximal qui serait de COPC4=0,89 dans les conditions de B0869FR 2943770 38 l'exemple 2. Il apparaît ainsi que, dans les conditions de l'exemple 2, la variante ULG est la plus performante, bien que restant la plus complexe.

Exemple 3 L'objectif visé est le chauffage de l'habitat en utilisant comme chaleur primaire de la chaleur fournie par des capteurs solaires plans et en l'amplifiant par une installation fonctionnant selon le mode moteur HT / récepteur BT . Les fluides de travail retenus sont les mêmes qu'à l'exemple 1 soit pour le fluide moteur, le HFC R236fa et pour le fluide récepteur, le HFC R134a. Les contraintes thermodynamiques sont identiques à celles de l'exemple 1, à savoir : La température ThM (issue des capteurs solaires plans) est égale à 65°C. La température TbR du R134a dans l'évaporateur ER est fixée à 12°C. Cette température est compatible avec une extraction de chaleur prise au niveau d'une captation géothermique en hiver à l'extérieur de la maison à chauffer. Avec ces contraintes et vu les équilibres liquide/vapeur de ces fluides tels que représentés sur la figure 3, les autres conditions de température et de pression sont identiques à celles de l'exemple 1, à savoir : Pression haute Ph = 8,69 bars ; et pression basse Pb = 4,43 bars. Températures de libération de chaleur au niveau des condenseurs CR et CM TbM = 40,3°C et ThR=34,3°C, soient des températures compatibles avec la fourniture de la chaleur à l'intérieur de la maison par l'intermédiaire d'un plancher chauffant. Une machine de Carnot quadritherme fonctionnant entre ces mêmes températures TbM, TbM, TbR, ThR aurait un COA idéal de : COAC4 = 1,93. Le coefficient d'amplification de l'installation quadritherme fonctionnant en régime permanent selon la variante UL, qui dans ces conditions est la plus performante, est : COA4 (UL) = 1,56. Pour cette application, le rapport COA4(UL)/COAC4 est encore meilleur 80%). Ainsi, telle une pompe à chaleur réversible, une même installation selon l'invention peut assurer les fonctions de rafraîchissement en été (exemples 1 et 2) et chauffage (avec amplification) en hiver (le présent exemple 3) avec d'excellentes performances en COP et COA par rapport à l'état de l'art actuel. B0869FR 2943770 39 Exemple 4 Valorisation d'un rejet de chaleur Dans cette application, le but visé est d'utiliser une installation tritherme selon l'invention fonctionnant dans le mode récepteur HT / moteur BT pour valoriser un rejet de chaleur (c'est-à-dire de chaleur perdue) qui est a une température de 105°C, c'est à dire ThM = TbR = 105°C. Les fluides de travail retenus sont pour le fluide moteur, le HC n-pentane et pour le fluide récepteur, l'eau. Avec cette contrainte et vu les équilibres liquide/vapeur de ces fluides (voir figure 3), on obtient les autres températures et pressions, soit : Pression haute Ph = 6,62 bars ; et pression basse Pb = 1,21 bars. Température de rejet de chaleur au niveau du condenseur CM : TbM = 41,3°C , compatible avec une évacuation sur l'air extérieur même en été. Température de fourniture de chaleur au niveau du condenseur CR : ThR 162,7°C . Ce niveau de température est bien supérieur à celui du rejet (105°C) et donc susceptible d'être exploité. Une machine de Carnot tritherme fonctionnant entre ces mêmes températures ThM (=TbR), TbM et ThR aurait un COA idéal de : COAC3 = 0,605. Le coefficient d'amplification de l'installation tritherme fonctionnant en régime permanent selon la variante UL est : COA3 (UL) = 0,292. Pour cette application, le rapport COA3(UL)/COAC3 est également très bon (~ 48%). En outre il n'existe pas de pompe à chaleur classique (à compression mécanique de vapeur) permettant, dans l'état de l'art actuel, de réaliser une remontée de température jusqu'à ce niveau. B0869FR

Claims (14)

1. Revendications1. Installation tritherme ou quadritherme pour la production de froid et/ou de chaleur, comprenant une machine thermodynamique motrice et une machine thermodynamique réceptrice, caractérisée en ce que : a) la machine motrice comprend d'une part des moyens comprenant des conduites et des actionneurs pour faire circuler un fluide de travail GM et d'autre part, dans l'ordre de circulation dudit fluide de travail GM: - un évaporateur EM ; - au moins un cylindre de transfert CTM qui contient un liquide de tranfert LT dans sa partie inférieure et le fluide de travail GM sous forme de liquide et/ou de vapeur au dessus-du liquide de transfert ; un condenseur CM ; au moins un dispositif BSM de séparation des phases liquide et vapeur du fluide de travail GM ; un dispositif permettant la pressurisation du fluide de travail GM à l'état liquide ; b) la machine réceptrice comprend d'une part des moyens comprenant des conduites et des actionneurs pour faire circuler un fluide de travail GR et d'autre part, dans l'ordre de circulation dudit fluide de travail GR : un condenseur CR; au moins un dispositif BSR de pressurisation ou de détente et de séparation des phases liquide et vapeur du fluide de travail GR ; éventuellement un détendeur DR ; un évaporateur ER ; au moins un cylindre de transfert CTR qui contient le liquide de transfert LT dans sa partie inférieure et le fluide de travail GR sous forme de de liquide et/ou de vapeur, au-dessus du liquide de transfert ; c) les cylindres CTR et CTM sont reliés par au moins une conduite obturable par des actionneurs et dans laquelle peut circuler exclusivement le liquide de transfert LT.
2. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le fluide de travail GT (désignant indifféremment GR ou GM) et le liquide de transfert LT sont choisis de telle sorte 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. B0869FR 2943770 41
3. 3. Installation selon la revendication 2, caractérisée en ce que LT et GT sont isolés l'un de l'autre par un moyen qui n'empêche pas l'échange de travail entre les cylindres CTM et CTR.
4. 4. Installation selon la revendication 3, caractérisée en ce que ledit moyen consiste en une membrane souple interposée entre GT et LT, ou en 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.
5. 5. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend une seul élément CTM/CTR comprenant un cylindre de transfert CTM et un cylindre de transfert CTR.
6. 6. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend deux éléments CTM/CTR désignés par CTM/CTR et CTM'/CTR'.
7. 7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre deux dispositifs de pressurisation distincts désignés par BSM1 et BSM2 pour la machine matrice, et deux dispositifs de pressurisation distincts désignés par BSR1 et BSR2 pour ma machine réceptrice.
8. 8. Procédé de production de froid ou de chaleur à l'aide d'une installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, consistant à faire subir au fluide de travail GM une succession de cycles de Carnot modifiés dans la machine motrice de l'installation, caractérisé en ce que chaque cycle de la machine motrice est initié par apport de chaleur à l'évaporateur EM et initie un cycle de Carnot modifié dans la machine réceptrice par transfert de travail à l'aide du liquide de transfert LT, entre au moins un cylindre de transfert de la machine motrice et au moins un cylindre de transfert de la machine réceptrice. chacun des évaporateurs EM et ER de l'installation est relié à une source de chaleur respectivement à la température TbM et TbR, et chacun des condensenseurs CM et CR est relié à un puits de chaleur respectivement à la température TbM et ThR, les températures étant telles que TbM < ThM et TbR < ThR
9. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'installation comprend des moyens d'échange de chaleur entre d'une part les sources et puits de chaleur qui sont à des températures différentes, et d'autre part les évaporateurs, condenseurs et éventuellement le fluide de travail GT dans les enceintes de transfert CTM et CTR. B0869FR 2943770 42
10. 10. Procédé selon la revendication 8, pour la production de froid à la température TbR inférieure à la température ambiante et/ou la production de chaleur aux températures ThR et TbM supérieures à la température ambiante, caractérisé en ce que la température ThM est supérieure à la température ThR.
11. 11. Procédé selon la revendication 8, pour la production de chaleur à une température ThR supérieure à celles des deux sources de chaleur aux températures TbR et ThM, caractérisé en ce que la température ThM est inférieure à la température TI,R•
12. 12. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il est mis en oeuvre à partir d'un état initial de l'installation dans lequel : les machines motrice et réceptrice ne sont pas connectées entre elles ; - dans chacune des machines, les actionneurs permettant la communication entre leurs différents éléments constitutifs ne sont pas activés ; la température de l'ensemble de l'installation et notamment des fluides GM et GR qu'elle contient est égale à la température ambiante ; les liquides de transfert LT dans les cylindres de transfert moteurs et récepteurs (CTM et CTR) sont à des niveaux intermédiaires compris entre les niveaux minimaux et maximaux dans ces cylindres.
13. 13. Procédé selon la revendication 8, pour la production de froid à une température TbR inférieure à la température ambiante, caractérisé en ce que le premier cycle de démarrage est constitué par : une lere étape qui consiste à réaliser simultanément les actions suivantes : * mise en communication thermique, via un fluide caloporteur, de la source chaude à ThM et de l'évaporateur EM, ce qui a pour conséquence d'augmenter la température et la pression de vapeur saturante de GM dans EM * mise en communication de CTM et EM, ce qui a pour conséquence une évaporation de GM dans EM et un transfert de GM à l'état vapeur de EM vers CTM ; * mise en communication du dispositif BSM et de EM, ce qui a pour conséquence un transfert de GM liquide de BSM vers EM ; * mise en communication des cylindres CTM et CTR, ce qui a pour conséquence un transfert du liquide LT de CTM vers CTR et une compression des vapeurs de GR contenues dans CTR ; * mise en communication du cylindre CTR et CR, ce qui a pour conséquence un transfert des vapeurs de GR de CTR vers CR , une B0869FR 2943770 43 condensation desdites vapeurs dans CR (nécessitant une évacuation de chaleur au puits de chaleur initialement température ambiante mais qui va progressivement atteindre sa valeur nominale ThR supérieure ou égale à la température ambiante) et une accumulation des condensats dans le dispositif BSR ; une 2eme étape qui concerne principalement la machine motrice et qui consiste à réaliser simultanément les actions suivantes : * arrêt de la circulation du fluide GM dans la machine motrice et arrêt de la circulation du fluide GR dans la machine réceptrice, et maintien de la circulation des fluides caloporteurs échangeant avec la source de chaleur à ThM et les puits de chaleur à ThR et TbM ; * mise en communication de CTM et CM, ce qui a pour conséquence un transfert de GM de CTM vers CM, une diminution de la pression de GM dans CTM, une condensation de GM dans CM (nécessitant une évacuation de chaleur au puits de chaleur initialement température ambiante mais qui va progressivement atteindre sa valeur nominale TbM supérieure ou égale à la température ambiante) et une accumulation des condensats dans le dispositif BSM ; une 3eme étape qui consiste à réaliser simultanément les actions suivantes : * mise en communication de BSR et de l'évaporateur ER, ce qui a pour conséquence de transvaser une partie du liquide GR de BSR vers ER, la pression de vapeur de GR dans ER étant alors supérieure à celle existant dans CTM ; * mise en communication des cylindres CTR et CTM, l'équilibrage quasi-instantané des pressions qui se produit dans ces deux cylindres ayant pour conséquences: = un transfert du liquide LT de CTR vers CTM, une compression des vapeurs de GM contenues dans CTM, une détente et une évaporation endothermique de GR dans ER, une condensation des vapeurs de GM dans CM (nécessitant une évacuation de chaleur au puits de chaleur à la température TbM) et l'accumulation des condensats de GM dans BSM. une diminution de la température du fluide GR restant à l'état liquide dans ER jusqu'à la température de saturation pour la pression résultante après la mise en communication de CTR et CTM ; B0869FR 2943770 44 une 4ème étape qui concerne principalement la machine réceptrice et qui consiste à réaliser simultanément les actions suivantes : * arrêt de la circulation du fluide GM dans la machine motrice et arrêt de la circulation du fluide GR dans la machine réceptrice, et maintien de la circulation des fluides caloporteurs échangeant avec la source de chaleur à ThM et les puits de chaleur à ThR et TbM ; * mise en communication de BSR et CTR, ce qui a pour conséquence une évaporation de GR dans BSR, un transfert de GR de BSR vers CTR, une augmentation de la pression de GR dans CTR, un échange de chaleur entre le dispositif BSR avec la source à ThR et une consommation de chaleur au niveau de BSR.
14. 14. Procédé selon la revendication 8 pour la climatisation d'un imimeuble, caractérisé en ce que : l'installation comprend un seul cylindre CTR et un seul cyclindre CTM formant un piston liquide, l'isobutane est utilisé en tant que fluide GR et le n-pentane en tant que fluide moteur GM la source de la machine motrice est l'énergie solaire.