FR2996252A1

FR2996252A1 - Dispositif et procede de conversion d'energie thermique en energie cinetique a basse temperature

Info

Publication number: FR2996252A1
Application number: FR1202583A
Authority: FR
Inventors: Francois Kneider
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-04-04

Abstract

Dispositif et procédé de conversion d'énergie thermique en énergie cinétique à basse température comprenant un circuit de réchauffe (10) contenant un fluide frigorigène, une valve de contrôle de rotation (12), un moteur à air comprimé (13), un contenant de condensation (11), un alternateur de charge (14) et une pompe de refoulement (15), le tout fonctionnant en Cycle de Rankine ou Kalina. La température de réchauffe est comprise entre 240° et 350° Kelvin. Cette température est abondante et gratuite dans l'environnement naturel, l'atmosphère, les fleuves, lacs, mers océans et/ou dans des produits, locaux, objets etc... Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné à la production de l'électricité et/ou la motorisation de tout élément nécessitant un déplacement en air, terre ou mer et/ou le refroidissement de tous produits, objets, environnements dont les températures peuvent être considérées comme excessives, indésirées, nuisibles ou dangereuses.

Description

La présente invention concerne un dispositif et procédé de conversion d'énergie thermique en énergie cinétique, à basse température fonctionnant en Cycle de Rankine, Kalina, ou autre. Ce dispositif fonctionne à des températures de l'ordre de 2800 Kelvin. La plupart des dispositifs et procédés de conversion d'énergie thermique en énergie cinétique connus à ce jour, turbines à vapeur, turboréacteurs, turbines a gaz, moteurs à combustion interne, etc... opèrent à des températures élevées, allant de 283° Kelvin (110° Celsius) à de plus de 873° Kelvin (600)° Celsius) et nécessitent une seconde source de chaleur indispensable pour la condensation et/ou le refroidissement, nettement plus froide que la première. Tous ces dispositifs de conversion d'énergie thermique en 15 énergie cinétique, consomment des combustibles de type charbon, gaz, pétrole, bois ou nucléaires. Ces produits sont polluants, leur exploitation est coûteuse et /ou dangereuse, souvent disponibles loin de leurs lieux d'utilisation et certains sont en cours d'épuisement. Ils génèrent par ailleurs des pollutions tant 20 sur le plan thermique que chimique. Le refroidissement du condenseur des turbines à vapeur nécessite de plus un important débit d'eau ou des aéroréfrigérants encombrants, ce qui limite d'emblée leur domaine d'emploi aux installations fixes ou navales. 25 Le dispositif selon l'invention vise à remédier aux inconvénients cités ci-dessus, en proposant un procédé et dispositif simple, économique et fiable, utilisant des ressources thermiques localement disponibles, inépuisables, non polluantes , non dangereuses et surtout gratuites. 30 La réalisation du dispositif objet de l'invention est simple, alliant une sécurité de fonctionnement, d'approvisionnement et une autonomie remarquables tout en présentant un coup de réalisation et d'exploitation incomparables. Le dispositif selon l'invention comprend au moins une 35 machine à vapeur, fonctionnant en Cycle de Rankine, Kalina ou autre, à une faible température de l'ordre 280° Kelvin. D'une façon plus précise, cette fourchette de température peut , 2 , être comprise entre 2400 et 350° Kelvin, en tenant compte des environnements technologiques, techniques, scientifiques et économiques en vigueur de nos jours. Cette fourchette de températures est abondante, gratuite, localement disponible dans l'environnement naturel, l'atmosphère, les mers, les océans, les fleuves, les lacs, les sous-sols, les habitations ou autres types de locaux, les objets, marchandises, milieux et environnements dont les températures peuvent être considérées comme excessives indésirées nuisibles et/ ou dangereuses.

Le dispositif selon l'invention utilise des fluides, dont la température de détente et d'utilisation est comprise entre 240° et 350° Kelvin, le fluide est un liquide de type frigorigène, caractérisé par le fait que la contraction et la condensation sont auto-générées et maintenues par le diapositif lui-même. La seconde source froide n'est donc plus indispensable. Le dispositif selon l'invention est illustré sur le dessin synoptique en Fig.1, Il comprend au moins une unité des éléments suivants: Un contenant de fluide dit chaud à haute pression (1), une soupape ou valve (4) pour le contrôle du débit des vapeurs, un convertisseur d'énergie thermique en énergie cinétique (3) fonctionnant avec la circulation de vapeur dite chaude du contenant (1), vers le contenant (2), une pompe de refoulement (6), un circuit d'apport calorique (7), une pompe de circulation de liquide réchauffeur (8). Une des caractéristiques de l'invention réside en l'absence d'un circuit d'apport de froid pour la condensation. En effet, la contraction du fluide résultant de l'action du couple convertisseur d'énergie (3) et charge (5) auto-génère la condensation. Le phénomène d'auto-refroidissement a été observé dans plusieurs installations de centrales électriques utilisant des turbines à vapeur; la formation de gouttelettes consécutive à la saturation de la détente nuit à l'efficacité des derniers étages de détente de ces turbines à vapeur. La teneur en eau liquide du mélange nuit au bon fonctionnement. Les professionnels ont corrigé cette nuisance efficacement grâce à la resurchauffe des étages ' 3 ' saturés. L'inventeur, en observant ce phénomène considéré comme nuisible (la saturation de la détente et la formation des gouttelettes), génère par le couple turbine à vapeur /alternateur, 5 l'amorçage de la rétraction et la condensation du fluide. Après de nombreuses réflexions et plusieurs expérimentations, l'inventeur est arrivé à la constatation suivante: la source froide, n'est plus indispensable pour le bon fonctionnement, elle peut n'être utile que pour le cycle de démarrage. 10 Le fluide du contenant (1) est réchauffé et détendu dans le milieu dit naturel, par un apport calorique du circuit (7), la circulation de ce fluide est effectuée par la pompe(8). Le refoulement du fluide dit froid du contenant(2) vers le contenant(1) est assuré par la pompe (6). La pompe (6) peut être 15 alimentée électriquement ou entraînée par l'axe de rotation du convertisseur (3). Le fluide caloporteur dans le circuit (7) peut être de l'eau ou toute autre liquide ayant une bonne performance en échange thermique. 20 Le fluide dans les circuits (1) et (2) peut être de la famille des fluides frigorigènes, par exemple: R22, R410a ,R134a, ammoniac, propane, butane, CO2 ou tout autre fluide approprié à cet usage. Cette liste n'est pas exhaustive. Il est connu que le rendement croît avec la pression de la vapeur et avec la 25 température de surchauffe. Le choix du fluide est déterminant dans l'optimisation du rendement, en tenant compte de la température de chauffe disponible. Le choix du fluide et du convertisseur d'énergie thermique en énergie cinétique est déterminé par le choix de l'application 30 choisie et de ses contraintes : la taille, la température de fonctionnement, le poids, la portabilité, l'étanchéité, la sécurité et le prix d'exploitation. Ce choix peut être déterminé par un professionnel spécialiste du domaine d'application choisi, sans pour autant sortir du cadre 35 de la présente invention. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront suite à la description détaillée qui va suivre et des ' ' dessins présentés en annexe qui présentent des exemples non limitatifs d'application de ce dispositif dans le cadre des convertisseurs de chaleur en travail (énergie thermique en énergie cinétique).

L'une des caractéristiques de l'invention est l'absence d'un circuit de refroidissement pour la condensation; cette absence empêche le dispositif de démarrer. Pour remédier à cet inconvénient, l'inventeur a imaginé et conçu les dispositifs suivants: un compresseur (9) générant une différence de pression de l'ordre de 1 Bar entre les contenants (1) et (2). Le démarrage peut aussi être accompli par la surchauffe du fluide du contenant (1) et/ou le refroidissement du fluide du contenant (2). Tout autre procédé de démarrage peut être envisagé sans pour autant sortir du cadre de la présente invention.

Pour améliorer la performance du dispositif, le contenant (2) et/ou le convertisseur(3) peuvent être mis en calorifugeage (isolés thermiquement par rapport à l'environnement externe). La vitesse de rotation est commandée par la soupape ou valve (4) située à entrée d'admission de la turbine (3) et pilotée par 20 des systèmes de régulation électroniques et/ou mécaniques. Une des réalisations possibles de l'invention, illustrée de façon synoptique par la FIG 2, comprend un circuit de fluide frigorigène (10), de structure similaire aux structures des condenseurs utilisé pour les réfrigérateurs, congélateurs et 25 climatiseurs. La structure est apparemment similaire, mais la fonction est inversée: le circuit (10) refroidit son environnement au lieu de le réchauffer. Le contenu du circuit (ou tube), peut se trouver, selon le cycle de fonctionnement, à l'état fluide, fluide partiel, semi-fluide et/ou vapeur. Il reçoit et absorbe les 30 calories de son environnement et les refroidit. Le convertisseur (13) reçoit la vapeur sous pression qui traverse la soupape ou valve (12). Cette valve, qui sert de contrôleur de rotation du convertisseur (13) et de la charge (14), peut être actionnée manuellement et/ou à réflexe mécanique et/ou électrique. 35 Le couple convertisseur (13), charge(14) engendre la rétraction des vapeurs, la diminution de la pression et de la température; la vapeur se transforme en semi-vapeur (fine gouttelettes) et finit '5, en fluide au bas du contenant (11). La pompe (15) refoule ce fluide dit froid à basse pression du contenant (11) vers le contenant (10), où il sera réchauffé par les calories environnantes et/ ou indésirées).

Dans des applications en milieu aquatiques, le circuit (10), peut être en contact direct avec l'eau et/ou immergé ,afin d'assurer un bon échange thermique. Pour éviter des fuites de vapeur ou gaz à travers l'axe de rotation, les éléments convertisseur (3), charge(5), pompe (6) peuvent être confinés hermétiquement de façon séparée ou groupée (par deux ou les trois ensemble) comme cela se fait pour les moteurs / compresseurs des réfrigérateurs. Une application possible du dispositif objet de l'invention est son utilisation en aval des centrales thermiques à charbon, 15 gaz, fuel et/ou nucléaires, moteurs à combustion interne et/ou externe, etc...(cette liste n'est pas exhaustive), De ce fait, le dispositif est utilisé en secondant ou en se substituant au dispositif de refroidissement avec pour conséquence un recyclage des colories gaspillées et une diminution subséquente de la 20 consommation de combustible et de la pollution chimique et thermique qui en résulte. Le dispositif selon l'invention, tout en épargnant des combustibles et en évitant les pollutions, trouve des applications planétaires et illimitées en tant que convertisseur 25 d'énergie thermique en énergie cinétique à faible température. A titre d'exemple, et de façon non exhaustive, nous pouvons citer: les moteurs pour les générateurs d'électricité (centrales électriques), générateurs de froid, pompes à fluides, compresseurs, pompes à vide, moteurs de propulsion: barques, 30 bateaux, navires, sous-marins, aéronefs , motorisation des trains, voitures, camions ou tous objets, éléments fluides, vapeurs, solides, nécessitant un déplacement ou mouvement. L'utilisation du circuit du contenant (10), selon les caractéristiques précédemment définies, en tant qu'échangeur 35 thermique ou échangeur de refroidissement (refroidisseur) pour des objets, produits, locaux et/ou environnements, est une des applications possibles du dispositif objet de l'invention. ,6, Nota: Le terme vapeur, en pratique, veut dire partiel-fluide ou fluide partiel à grande dominante vapeur avec un petit mélange de lubrifiant (huile). Le terme fluide, en pratique, veut dire partiel vapeur à grande dominante liquide. Sur les dessins (Fig.1 et 2), les flèches indiquent le sens de circulation du fluide et/ou de la vapeur. COMPOSANTS DU PROTOTYPE DE VALIDATION (1)et(2)Contenants Tanky 14 L. (1)et(2): Fluide BUTANE commercial 6 litres. (3):Moteur pneumatique GAST 4 AM-FRV-13C. (4):Valve à air comprimé actionné manuellement. (5):Alternateur Valeo pour Peugeot 205. (6):Pompe de refoulement Pompe à carburant 12 V Kavan. (7):Tube cuivre diamètre 16 millimètres, température de l'eau à environ 25°Celsius, enroulé autour du contenant. (8):Pompe à eau Pompe universelle New-Jet NJ600

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de conversion d'énergie thermique en énergie cinétique (travail) fonctionnant en Cycle de Rankine ou Kalina, caractérisé par le fait que l'apport de la source 5 chaude nécessaire à la génération de la pression est prélevé à température ambiante naturelle et que le second circuit d'apport de froid indispensable à la condensation est nécessaire au démarrage uniquement puis est auto généré et maintenu par la présence de molécules à l'état liquide 10 mélangées aux vapeurs et par la contraction et le refroidissement engendré par le couple convertisseur / charge.
2. Dispositif mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 1, comprenant au moins une machine à vapeur et comportant au moins une unité des éléments suivants: un 15 contenant de fluide dit chaud à haute pression (I), un convertisseur d'énergie thermique en énergie cinétique (3) couplé à la charge (5), un autre contenant de fluide dit froid (2), une pompe de refoulement du fluide froid vers le contenant de fluide chaud (6), un élément d'apport thermique dit chaud 20 (7), une pompe de circulation des fluides (8) fonctionnant en Cycle de Rankine ou Kalina, caractérisé par le fait que la dite chaude température de fonctionnement est prélevée dans l'environnement naturel ou artificiel à température ambiante ou proche de la température ambiante et que la source froide pour 25 la dépression et la condensation est maintenue par la résistance du couple moteur/charge et le recyclage des énergies dites « gaspillées ».
3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé par le fait que les calories de réchauffe sont obtenues à une 30 faible température de l'ordre de 280 Kelvin, dans une fourchette pouvant varier de 240 Kelvin à 350 Kelvin, en tenant compte des environnements technologiques, techniques, scientifiques et économiques en vigueur de nos jours.
4. Dispositif selon l'une quelconque des 35 revendications 2 à 3, caractérisé en ce que le démarrage est-8- accompli par la génération d'une différence de pression entre les contenants (2) et (1). Cette différence de pression est accomplie par le compresseur (9) ou par la génération d'une différence de température entre ces deux contenants (en surchauffant l'un ou en refroidissant l'autre, ou en ajustant l'écart de température sur les deux à la fois).
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le fluide utilisé dans les circuits (1) et (2) est de la famille des fluides 10 frigorigènes couramment utilisé dans les circuits de climatisation, réfrigération, congélation ou pompe à chaleur.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le convertisseur de pression en énergie cinétique peut être indifféremment un moteur à air 15 comprimé, un moteur à pistons, un moteur pneumatique, une turbine.
7. Dispositif selon et l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le circuit du contenant (10) est utilisé en tant qu'échangeur de 20 refroidissement pour des objets produits, locaux ou environnements et permet le recyclage des calories gaspillées générant une diminution subséquente de la consommation énergétique.
8. Dispositif selon l'une quelconque des 25 revendications 2 à 7, caractérisé en ce que la charge (5) peut être un alternateur, une hélice, un compresseur, une pompe à eau ou à fluide, un propulseur, un piston et permet d'effectuer des déplacements, des compressions ou des dépressions.
9. Dispositif selon l'une quelconque des 30 revendications 2 à 8, caractérisé en ce que le dispositif objet de invention est mis en aval des dispositifs de conversion thermique / cinétique classiques en recyclant les calories gaspillées à la sortie des moteurs à combustion interne ou externe.-9-
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que le contenant (2) et le convertisseur (3) peuvent être mis en calorifugeage (isolés thermiquement par rapport à l'environnement externe).5