FR3050018A1

FR3050018A1 - Climatiseur a narguiles

Info

Publication number: FR3050018A1
Application number: FR1600609A
Authority: FR
Inventors: Antoine Zalcman
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-04-11
Filing date: 2016-04-11
Publication date: 2017-10-13

Abstract

Dispositif de chauffage et/ou de refroidissement reposant sur la réalisation d'un cycle thermodynamique comportant une compression isentropique d'un fluide frigorigène gazeux (1) suivi d'une détente dans une chaîne de narguilés par une première étape "exentropique" par refroidissement des narguilés par un fluide caloporteur circulant à contresens du fluide frigorigène (A et B; 2) suivie d'une seconde étape "endentropique" avec réchauffement par un fluide caloporteur circulant dans le même sens que le fluide frigorigène (A; 3 et B; 4). Les narguilés sont placés sur la courbe de changement de phase du fluide frigorigène (CCP) par la détermination d'une pression (P3) inférieure mais proche de la pression d'évaporation du fluide frigorigène à la température d'entrée du fluide caloporteur de réchauffement (TE) et d'une pression (P4) supérieure mais proche de la pression d'évaporation du fluide frigorigène à la température d'entrée du fluide caloporteur de refroidissement (TE) par l'ajout ou le retrait de fluide frigorigène gazeux et par le réglage de buses placées à l'extrémité des conduites reliant deux narguilés. Les buses ajoutent aux différentiels de pression hydrostatiques de la chaîne de narguilés des différentiels de pression fluidiques, la somme des différentiels de pression détermine les pressions (P6 et P1) dans le premier et le dernier narguilé de la chaîne et les températures de sortie des deux fluides caloporteurs de refroidissement et de réchauffement (TS).

Description

DESCRIPTION L'utilisation d'un cycle thermodynamique a été développée au milieu du dix-neuvième siècle pour la production de froid. L'objectif était la conservation des aliments puis leur transport. L'utilisation d'un cycle thermodynamique pour la climatisation d'un bâtiment est plus récente, elle date du début du vingtième siècle. Il faudra attendre l'après seconde guerre mondiale pour voir le réfrigérateur puis le congélateur entrer dans tous les foyers. L'intérêt d'un cycle thermodynamique dans la production de chaleur est plus tardif, il est postérieur aux premiers chocs pétrolier de la fin du vingtième siècle.

La production de chaleur par une pompe à chaleur a un rendement énergétique intéressant par rapport aux autres modes de production mais reste encore loin, malgré les progrès du rendement théorique du cycle thermodynamique de Carnot. Ce rendement est défini par le COP (coefficient de performance), il est de l'ordre de 3 à 4 watts de chaleur restituées par watt d'électricité consommées dans les conditions habituelles d'utilisations.

Le rendement d'un cycle thermodynamique dépend pour la production de chaleur comme pour la production de froid de la température de la source chaude ou de la source froide, ce qui a mené au développement de la géothermie et de l'hydrothermie pour assurer une source de chaleur à une température supérieure à la température de l'air extérieur pour la production de chaleur ou une source de froid à une température inférieure pour la production de froid.

Le principe de fonctionnement des installations destinées à générer du froid comme de celles destinées à générer de la chaleur n'a pas changé depuis le dix-neuvième siècle Un fluide frigorigène gazeux est comprimé, sa température augmente, il passe ensuite dans un condenseur où des calories sont extraites soit par l'utilisateur (pompe à chaleur), soit par une source dont la température est inférieure pour dissiper la chaleur (réfrigération).

Le fluide frigorigène passe de l'état gazeux à l'état liquide en transmettant sa chaleur latente de condensation.

Le fluide frigorigène liquide passe ensuite par un détendeur où sa pression diminue puis par un évaporateur où il passe de l'état liquide à l'état gazeux en se refroidissant. Des calories sont apportées soit par l'utilisateur (réfrigération), soit par une source plus chaude et compensent la perte par le fluide frigorigène de sa chaleur latente d'évaporation. L'écart entre le rendement constaté et le rendement théorique du cycle thermodynamique idéal de Carnot tient à plusieurs raisons.

Dans le condenseur le fluide frigorigène passe progressivement de l'état gazeux à l'état liquide, l'échange thermique s'effectue entre un mélange de gaz et de liquide vers un fluide, celui-ci peut être, soit liquide, soit gazeux (l'air ambiant ventilé le plus souvent), un écart de températures important doit exister pour assurer un bon transfert de calories entre un gaz et un autre fluide, de même au niveau de l'évaporateur où le fluide frigorigène est à l'état gazeux. Le fluide est refroidi plus que nécessaire et ensuite réchauffé plus que nécessaire pour assurer un écart important de températures avec soit la source, soit l'utilisateur.

Au niveau de l'évaporateur l'expansion en volume génère une cinétique parasite, ce qui est source de réchauffement par frottement contre les parois de l'évaporateur. Elle entraîne des phénomènes de compressions et de décompressions successives lors des changement de direction du gaz, dus à la forme complexe de l'évaporateur. La compression du gaz en mouvement devant un obstacle provoque un réchauffement. A la terminaison de l'évaporateur on assiste au phénomène de surchauffe consécutif au ralentissement du gaz avant son entrée dans le compresseur.

Après condensation le fluide frigorigène liquide à haute pression doit être détendu avant son évaporation, ce qui est également une perte d'énergie.

Ces effets sont plus sensible dans les installations destinées à générer du froid où la taille de l'évaporateur est plus réduite que dans les installations destinées à produire de la chaleur où l'évaporateur peut être de plus grande taille, son rôle étant de dissiper le froid. Ceci explique en partie le moindre rendement énergétique de la production de froid par rapport au rendement énergétique de la production de chaleur par un cycle thermodynamique.

Le climatiseur à narguilés pâlie à ces inconvénients.

Les échanges thermiques se font à partir d'un fluide frigorigène liquide dans l'évaporateur comme dans le condenseur.

Il n'y a pas de génération d'une cinétique parasite au niveau de l'évaporateur et les pertes qui en résultent.

Le climatiseur à narguilés présente d'autre avantages, il s'adapte à la température de la source et fournit une température variable à l'utilisateur par l'établissement d'un différentiel de pression proportionnel à l'écart de température entre la température désirée et la température de la source, la consommation est proportionnelle à ce même écart de pression, pour la production de chaleur comme pour la production de froid. Il n'existe pas de différence de rendement énergétique entre la production de chaleur et la production de froid, les deux productions se font par le même mécanisme. Les échanges se font à des températures proche, dans un gradient de températures, les températures des deux éléments Intervenant dans l'échange sont faiblement mitigées.

Le rendement énergétique potentiel du climatiseur à narguilés est plus proche du rendement théorique du cycle thermodynamique idéal de Carnot.

Le climatiseur à narguilés repose sur un principe simple, la détente progressive d'un fluide frigorigéne sur sa courbe de changement de phase dans une chaîne de narguilés.

La génération d'un gradient de pression dans une chaîne de narguilés est expliqué sur les figures 1 et 2, L'utilisation d'une chaîne de narguilés contenant un gaz et un liquide comme pompe à chaleur sur la figure 3. Les conditions pour réaliser un climatiseur à narguilés utilisant un corps chimique pur sur sa courbe de changement de phase sont détaillées sur la figure 4. La figures 5 présente deux modes de réalisation d'un climatiseur à narguilés, les figures 6 et 7 détaillent les éléments techniques des deux modes de réalisation, ta figure 8 présente un mode de réalisation des narguilés et un mécanisme passif de régulation du niveau de liquide dans la chaîne de narguilés, la figure 9 une application dans le couplage d'une installation ayant des nécessités de chauffage, d'une installation ayant des nécessités de refroidissement et d'un puits à accumulation, la figure 10 montre une vue schématique des cycles thermodynamiques d'une installation classique, d'un climatiseur à narguilés et le cycle théorique de Carnot.

Sur la figure 1 :

En Al ; un opérateur aspire par le bec d'aspiration d'un narguilé. La pression de l'air diminue dans la partie supérieur gazeuse et dans le liquide situé au dessous. La pression dans le liquide est égale à la pression à sa surface additionnée du poids de la colonne de liquide (pression hydrostatique). Cette même pression hydrostatique est égale à la gravité multipliée par la masse volumique du liquide multipliée par la hauteur de la colonne de liquide. Quand la dépression au dessus du liquide annule la pression hydrostatique, la pression au niveau de l'arrivée d'air passe au dessous de la pression atmosphérique, l'air bulle dans le liquide. Le narguilé maintient au dessus du liquide une dépression égale à la pression hydrostatique au niveau de l'arrivée d'air dans le liquide.

En A2; l'arrivée d'air d'un premier narguilé est la partie supérieur d'un second narguilé dont l'arrivée d'air est un troisième narguilé ... Le différentiel de pression entre un narguilé et le narguilé suivant est égal la pression hydrostatique de la colonne de liquide du premier narguilé. Les dépression s'additionnent, le différentiel de pressions entre le premier et le dernier narguilé est égal à la somme des pression hydrostatique qui est elle même la pression hydrostatique d'une colonne de liquide d'une hauteur égale à la somme des hauteurs de liquide de la chaîne de narguilés.

En B1 ; l'opérateur souffle dans l'arrivée d’air d'un narguilé ouvert sur l'extérieur, il y a bullage quand la pression dépasse la pression hydrostatique additionnée de la pression atmosphérique au niveau de l'arrivée d'air dans le liquide.

I

En B2; les pressions s'additionnent dans la chaîne de narguilés à l'inverse de la figure A2 où elles se soustraient.

En C; on établit une boucle entre le dernier et le premier narguilé et on met en place > une circulation de gaz par une pompe, les différences de pression entre les narguilés sont égales aux différences de pression hydrostatiques, elles s'additionnent quelles que soient les pressions dans la chaîne de narguilés. Si on ajoute du gaz, l'ensemble des pressions augmentent, si on en retire, elles diminuent. I Sur la figure 2;

En A; on obstrue partiellement l'arrivée d'air par une buse, au différentiel de pression hydrostatique s'ajoute un différentiel de pression fluidique qui est fonction du degré d'ouverture de la buse, que l'on aspire (A), ou que l'on souffle (B).

En C; on met en boucle une chaîne de narguilés équipés de buses comme sur la figure 1C et on met en place une circulation du gaz par une pompe, aux différentiels de pression hydrostatiques s'ajoutent des différentiels de pression fluidiques. Le différentiel de pression entre le premier et le dernier narguilé est égal au différentiel de pression hydrostatique de la chaîne de narguilés additionnée de la somme des différentiels de pression fluidiques. L'ensemble des pressions dans la chaîne de narguilés est déterminée par la hauteurs des colonnes de liquide, par les différentiels de pression fluidique déterminés par le degré d'ouverture des buses et par la quantité de gaz dans la chaîne de narguilés.

I

Sur la figure 3;

En A1, L'opérateur souffle dans une chaîne de narguilés. Il réalise une compression adiabatique L'air se réchauffe en se comprimant, cette chaleur est dissipée au cours de la détente dans la chaîne de narguilés, la compression génère également une surpression convertie en une cinétique, cette cinétique ou énergie fluidique est en partie dissipée sous forme de chaleur par frottement dans la chaîne de narguilés. Le travail initial (W) se décompose en un travail calorique générant un réchauffement (Wcal(+)) et d'un d'un travail fluidique (wf) générant une cinétique. Par principe de conservation de l'énergie, l'énergie consommée pour effectuer le travail de compression est égale à l'énergie dissipée par les deux composantes du travail résultant de la température et de la pression du gaz comprimé par l'opérateur.

En A2, L'opérateur aspire dans une chaîne de narguilés. La détente progressive de l'air dans la chaîne de narguilés provoque un refroidissement de la chaîne et une cinétique. Le travail initial (W) se décompose en un travail calorique négatif (Wcal(-)) et un travail fluidique (wf) annulant en partie le travail calorique négatif.

En A1 comme en A2 il se forme un gradient de températures. Par dissipation progressive de la chaleur en A1, par refroidissement progressif en A2.

En B on met en boucle une chaîne de narguilés à la température ambiante (TA) et à la pression atmosphérique (PA) et on met en action une pompe. Le travail réalisé par la pompe se décompose en un travail calorique de refroidissement (Wcal(-)) dans les narguilés à une pression inférieure à la pression atmosphérique (PA), un travail calorique de réchauffement (Wcal(+)) dans les narguilés à une pression supérieure à la pression atmosphérique et un travail fluidique (wf).

En D on ventile la chaîne de narguilés avec de l'air à la température ambiante. Les narguilés à pression négative sont ventilés par de l'air circulant dans le sens de circulation du gaz, les narguilés à pression positive par de l'air circulant en sens contraire, on réalise une pompe à chaleur.

Les narguilés contiennent un corps chimique à haute température d'évaporation (le liquide) et un corps chimique à basse température d'évaporation (un gaz), les échanges thermiques sont limités, il en serait autrement si les narguilés contenaient les deux phases d'un même corps chimique dont la température d'évaporation à la pression atmosphérique était la température ambiante.

Sur la figure 4:

En A1 : deux corps chimique sont placés à leur température d'évaporation à la pression atmosphérique dans deux récipients isolés et ouverts. Le premier récipient contient de l'azote liquide, le second du butane liquide. Chaque apport de calories s'accompagne d'un passage d'une quantité déterminée de liquide à l'état gazeux, le changement de phase s'accompagne de la perte par le liquide de la chaleur latente d'évaporation, rapport de calories est annulé par l'évaporation d'une quantité déterminée de liquide.

La température du liquide se maintient à la température d'évaporation du corps chimique à la pression atmosphérique jusqu'à évaporation complète du liquide, soit -196°C pour l'azote et -0,5°C pour le butane.

En A2; deux récipients contiennent du butane liquide. Le premier est mis en dépression, le second est fermé par une soupape.

Dans le premier récipient la température du butane liquide s'établit à une nouvelle température (T1) plus basse, qui est la température d'évaporation du butane à la pression du gaz dans la partie supérieure du premier récipient (P1).

Inversement dans le second récipient elle s'établit à une température plus élevée comme pour l'eau dans une cocotte minute.

Pour tout corps chimique à chaque pression correspond une température d'évaporation, de même à chaque température correspond une pression d'évaporation déterminée par la courbe de changement de phase.

Si on se place sur cette courbe, chaque apport de calories est annulé par l'évaporation d'une quantité déterminée de liquide annulant l'apport de calories par la soustraction de la chaleur latente d'évaporation. Inversement toute soustraction de calories est annulée par la condensation d'une quantité déterminée de gaz annulant la soustraction de calories par l'addition de la chaleur latente de condensation.

De même toute baisse de pression s'accompagne d'une évaporation d'une quantité déterminée de liquide entraînant un refroidissement, toute augmentation d'une condensation entraînant un réchauffement.

En B; on réalise une chaîne de narguilés isolés et remplis de butane liquide, le dernier narguilé est ouvert sur l'extérieur. L'apport extérieur de calories provoque l'évaporation d'une quantité déterminée de butane dans chaque narguilé, l'établissement d'un gradient de pressions entraîne l'établissement d'un gradient de températures entre le premier et le dernier narguilé. Dans chaque narguilé le butane se trouve sur sa courbe de changement de phase. Jusqu'à l'évaporation complète du butane le différentiel de pression entre deux narguilé est proportionnel à la hauteur de butane liquide séparant les deux narguilés, le différentiel de pressions entraîne un différentiel de températures, la température du butane dans chaque narguilé est égale à la température d'évaporation à la pression régnant dans le narguilé.

En C; on établit une circulation d'un fluide caloporteur (FC) à une température d'entrée (TE) égale à la température d'évaporation du butane à la pression atmosphérique (-0,5°C), le fluide caloporteur (FC) circule dans le sens du gradient de pressions et de températures, il se réchauffe dans un gradient croissant de température en remontant la chaîne de narguilés, chaque narguilé est refroidi par un fluide caloporteur à une température proche de la température du narguilé précédent, la température du fluide caloporteur (FC) est toujours inférieure à la température du narguilé où il circule, le fluide caloporteur (FC) effectue une soustraction de calories et ressort à une température de sortie (TS) proche de la température du butane dans le premier narguilé (Tn), la soustraction de calories est proportionnelle au débit de fluide caloporteur multiplié par le différentiel de température entre sa température d'entré (-0,5°C) et sa température de sortie (Tn).

On introduit du butane gazeux dans le premier narguilé à une température proche de la température (Tn) du premier narguilé.

Dans chaque narguilé il y a condensation si la soustraction de calories par le fluide caloporteur dépasse le réchauffement par l'apport de butane plus chaud provenant du narguilé précédent. la quantité de gaz buliant dans chaque narguilé diminue de narguilé en narguilé. Le niveau de liquide dans chaque narguilé est déterminé par la hauteur des conduites, il reste inchangé. Le butane passé de l'état gazeux à l'état liquide passe dans le narguilé suivant par débordement. Il n'y a plus d'évaporation du butane dans le dernier narguilé refroidi par le fluide caloporteur à la température d'évaporation du butane à la pression atmosphérique (-0,5°C).

Le niveau de butane liquide augmente dans le dernier narguilé si la soustraction de calories par le fluide caloporteur dans chaque narguilé annule le réchauffement par l'apport de butane gazeux, puis gazeux et liquide, puis liquide venant du narguilé précédent.

La chaîne de narguilés devient un condenseur si elle est refroidie par un flux suffisant d'un fluide caloporteur circulant dans le sens du gradient de pression et de températures, à contresens du fluide frigorigène.

En D; on réalise l'inverse. Le fluide caloporteur circule à contresens du gradient de pression. Il effectue une addition de calories, chaque narguilé est réchauffé par du fluide caloporteur provenant du narguilé précédent plus chaud. Une quantité croissante de butane passe de l'état liquide à l'état gazeux de narguilé en narguilé. L'évaporation du butane dans la chaîne de narguilés est compensée par un apport de butane liquide à la température du premier narguilé (Tn). L'évaporation de la figure 1B est augmentée par l'apport de calories réalisé par le fluide caloporteur. Inversement à la figure 3C, le fluide caloporteur se refroidit en réalisant un apport de calories, l'apport de calories est proportionnel au débit de fluide caloporteur multiplié par le différentiel de températures entre sa température d'entrée (Tn) et sa température de sortie (-0,5C).

La chaîne de narguilés devient un évaporateur si elle est réchauffée par un fluide caloporteur circulant à contresens du gradient de pression, dans le sens de circulation du fluide frigorigène.

En combinant le condenseur de la figure 4C et l'évaporateur de la figure 4D on obtient un climatiseur à narguilés. Les échanges thermiques se font essentiellement par l'échange des chaleurs latentes de condensation et d'évaporation (le corps chimique est sur sa courbe de changement de phase). Pour réaliser un climatiseur à narguilés la température dans le premier narguilé réchauffé ou refroidi doit être proche de la température d'introduction du fluide caloporteur de refroidissement ou de réchauffement, tous les narguilés placés en aval seront soit réchauffés, soit refroidis. I Cette température peut être établie en mettant ces mêmes narguilés à une pression proche de la pression d'évaporation du corps chimique utilisé comme fluide frigorigène à la température d'introduction du fluide caloporteur, en se référant à sa courbe de changement de phase, la température dans ces mêmes narguilés s'établira secondairement à la température du fluide caloporteur par réchauffement ou par refroidissement par le fluide caloporteur. La modification de la pression fait évoluer la température du fluide frigorigène dans le même sens que le réchauffement ou le refroidissement par le fluide caloporteur par addition de la chaleur latente de condensation si on augmente la pression (augmentation de la température du fluide caloporteur) et par soustraction de la chaleur latente d'évaporation si on diminue la pression (diminution de la température du fluide caloporteur). Il y a évaporation si on diminue la pression, il y a condensation si on augmente la pression car on se trouve sur la courbe de changement de phase. Les pressions et les températures dans les narguilés situés en aval et en amont évoluent dans le même sens pour les mêmes raisons.

En pratique il serait préférable que la température de la source soit relativement stable, le climatiseur à narguilés a une certaine inertie.

Les narguilés médians sont mis sur la courbe de changement de phase du fluide frigorigène, les narguilés situés en amont et les narguilés situés en aval sont également proches de la courbe de changement de phase, à des pressions et des températures supérieures pour les narguilés situés en amont, à des pressions et des températures inférieures pour les narguilés situés en aval.

La quantité de gaz dans le circuit détermine une pression médiane au milieu de la chaîne ou sont introduits les deux fluides caloporteurs.

La hauteur des narguilés induit un différentiel de pression minimal fixe, le différentiel de pression hydrostatique. La présence de buses à la terminaison des conduites reliant deux narguilés induit un différentiel de pression variable, le différentiel de pression fluidique.

Le différentiel de pressions induit un différentiel de température entre la température du premier et la température du dernier narguilé de la chaîne, ces deux températures sont proches des températures de sortie des deux fluides caloporteurs.

Une vue schématique d'un climatiseur à narguilés est présentée sur la figure 5 avec deux modes de réalisation A et B, le cycle thermodynamique correspondant est représenté sur la droite de la figure.

Sur la figure 5A est représenté un climatiseur à narguilés dont le fluide caloporteur de réchauffement et le fluide caloporteur de refroidissement sont à la même température, les deux fluides caloporteurs peuvent être un même fluide (deux litres d'eau tiède à 25°C pourraient fournir un litre d'eau froide à 5°C et un litre d'eau chaude à 45“C).

Pour le réchauffement comme pour le refroidissement le fluide caloporteur est introduit à une température d'entrée (TE) comprise entre la température (T3) du troisième narguilé et la température (T4) du quatrième narguilé.

Du quatrième au sixième narguilé (2) il effectue une soustraction de calories et ressort à une température proche de la température (T6) du sixième narguilé (cf. fig. 4C).

Du troisième au premier narguilé (3) il effectue une addition de calories et ressort à une température proche de la température (T1) du premier narguilé (cf. fig. 4D).

Le refroidissement du quatrième au sixième narguilé (2) s'accompagne d'un passage du fluide frigorigène de l'état gazeux à l'état liquide.

Le réchauffement du troisième au premier narguilé (3) du passage du fluide frigorigène de l'état liquide à l'état gazeux.

Entre le premier et le sixième narguilé un compresseur effectue une compression adiabatique (1). La courbe température/pression "adiabatique" du fluide frigorigène gazeux est représentée sur la figure A2 (1), elle est placée au dessous de la courbe de changement de phase (CCP). A pression égale, la température "adiabatique" est supérieure à la température de changement de phase, à température égale, la pression "adiabatique" est inférieure à la pression de changement de phase.

Le compresseur (Fig. A1;1) établit en amont du sixième narguilé une pression (P7) égale à la pression du sixième narguilé (P6) additionnée du diflérentiel de pression hydrostatique. La température "adiabatique" correspondante (T7) est supérieure à la température de changement de phase (T6) dans le sixième narguilé. Le réchauffement du sixième narguilé et des narguilés placés en aval est compensé par le refroidissement par le fluide caloporteur de refroidissement. A l'équilibre la quantité de fluide frigorigène passant de l'état gazeux à l'état liquide du sixième au quatrième narguilé (2) est égale à la quantité de fluide frigorigène passant de l'état liquide à l'état gazeux du troisième au premier narguilé (3).

Le réchauffement du fluide caloporteur de refroidissement se fait essentiellement par récupération de la chaleur latente de condensation du fluide frigorigène (2), le refroidissement du fluide caloporteur de réchauffement en cédant au fluide frigorigène la chaleur latente d'évaporation (3). Contrairement à une installation classique, l'évaporation ne se fait pas par une détente brutale mais par une détente progressive, sur la courbe de changement de phase, dans l'ensemble des narguilé de l'évaporateur. Une pression (P3) est établie dans le troisième narguilé, une pression (P4) dans le quatrième narguilé, le différentiel de pression entre P3 et P4 est proche du différentiel de pression hydrostatique entre les deux narguilés (la conduite les reliant n'est pas équipée d'une buse réglable).

La pression (P4) est légèrement supérieure à la pression d'évaporation du fluide frigorigène à la température d'entrée du fluide caloporteur (TE).

La pression (P3) est légèrement inférieure à la pression d'évaporation du fluide frigorigène à la température d'entrée du fluide caloporteur (TE), les deux pressions sont déterminées en se référant à la courbe de changement de phase du fluide frigorigène.

Les deux pressions (P3 et P4) sont les pressions médianes de la chaîne de narguilés, elle sont établies essentiellement par l'ajout ou le retrait de fluide frigorigène gazeux.

Le réglage des buses détermine les différentiels de pression fluidiques variables s'ajoutant aux différentiels de pression hydrostatiques fixes. Le réglage des buses permet de déterminer l'ensemble des pressions, une fermeture plus importante de l'ensemble des buses augmente le différentiel de pression entre le premier et le dernier narguilé, il augmente la pression (P6) dans le sixième narguilé et la température (T6) du fluide caloporteur de refroidissement à sa sortie (TS), il diminue la pression (P1) dans le premier narguilé et la température (T1) du fluide caloporteur de réchauffement à sa sortie (TS).

Un réglage manuel ou automatique guidé par des sondes de pression établit les pressions (P3 et P4) en fonction de la température de la source (TE), les pressions (P1 et P6) en fonction des températures désirées par l'utilisateur, il établit un gradient homogène de pressions dans la chaîne. Pour établir un équilibre entre la condensation et l'évaporation, l'opérateur ou le dispositif de contrôle dispose d'un levier supplémentaire, le flux de fluide caloporteur de réchauffement et le flux de fluide caloporteur de refroidissement.

Les éléments techniques de l'installation de la figure 5A sont détaillés sur la figure 6.

Sur la figure 5B est présenté un climatiseur à narguilés où la température d'entrée du fluide caloporteur de réchauffement est différente de la température d'entrée du fluide caloporteur de refroidissement. La température d'entrée du fluide caloporteur de refroidissement doit être supérieure à la température d'entrée du fluide caloporteur de réchauffement. C'est en général le cas, la source est en général plus chaude dans une installation de refroidissement, plus froide dans une installation de chauffage.

En plus des trois premiers narguilés d'évaporation (4) et des trois derniers narguilés de condensation (2), il présente un ou plusieurs narguilés intermédiaires (Ni) isolés thermiquement ou s'effectue une détente isentropique (3) entre la pression (P4) du dernier narguilé du condenseur et la pression (P3) du premier narguilé de l'évaporateur. L'ensemble des conduites reliant les narguilés de la chaîne est équipé d'une buse réglable.

Le dispositif dispose des mêmes leviers que le dispositif décrit sur la figure 5A pour établir un gradient homogène de pressions dans la chaîne, une pression (P3) inférieure mais proche à la pression d'évaporation du fluide frigorigène à la température d'entrée (TE) du fluide caloporteur de réchauffement, une pressions (P4) supérieure mais proche de la température d'évaporation du fluide frigorigène à la température d'entrée du fluide caloporteur de refroidissement.

La température de sortie du fluide caloporteur de réchauffement est comme précédemment proportionnelle à la pression (P1) dans le premier narguilé, la température de sortie du fluide caloporteur de refroidissement à la pression (P6) dans le sixième narguilé.

Le cycle thermodynamique réalisé est représenté en B2. C'est un cycle à quatre phases comprenant; une compression adiabatique (1), une détente (2) avec soustraction de calories "exoentropique ou exentropique", une détente isentropique (3) et une détente (4) avec apport de calories "endœntroplque ou endentropique".

Les éléments techniques de l'installation de la figure 5B sont détaillés sur la figure 7.

Les figures 6 et 7 détaillent les éléments techniques des dispositif présentés sur les figures 5A et 5B. Nombre d'éléments sont communs aux deux modes de réalisation, ils sont détaillés dans le mode de réalisation le plus simple présenté sur la figure 6. Sur la figure 7 iis ont la même dénomination en lettre avec le chiffre de la figure ou le chiffre de la figure en dizaine s'ils étaient désignés par un chiffre.

La figure 8 présente une vue détaillée des narguilés et montre un mécanisme de contrôle passif du niveau de liquide dans les narguilés.

La figure 6 présente plus en détail le climatiseur à narguilés de la figure 5A. Il est constitué d'une chaine de narguilés comportant quatre narguilés d'évaporation (N1 à N4) constituant l'évaporateur NE et quatre narguilés de condensation (N5 à N8) constituant le condenseur (NC).

Un compresseur (po61) amène en le mettant sous pression le fluide frigorigène gazeux du narguilé (N1) au narguilé (N8).

Des buses à la terminaison des conduites reliant les narguilés de l'évaporateur (bue6) permettent d'établir les différentiels de pression fluidiques entre le narguilé (N1 à N4) de l'évaporateur, des buses à la terminaison des conduites reliant les narguilés du condenseur (buc6) permettent d'établir les différentiels de pression fluidiques entre les narguilés (N5 à N8) du condenseur.

Des sondes de pression (spc6) mesurent la pression dans les narguilés du condenseur. Des sondes de pression (spe6) mesurent la pression dans les narguilés de l'évaporateur.

Une sonde de pression (sp61) mesure la pression en amont du compresseur (po61) et en aval de la chaîne de narguilés, c'est la pression du narguilé (N1), une sonde de pression (sp62) en aval du compresseur (po61) et en amont de la chaîne de narguilés. L'ensemble des pressions peut être augmenté par un ajout, ou diminué par un retrait de fluide frigorigéne gazeux (FFG). L'ajout ou le retrait se font par l'action d'une pompe (po62) reliée à un réservoir (res61), de fluide frigorigéne gazeux (FFG).

Un réservoir (res63) permet le recueil par écoulement du fluide frigorigéne liquide (FFL) pouvant soit condenser, soit déborder du dernier narguilé (N1), il est ramené par une pompe non représentée vers un réservoir de stockage (res62) de fluide frigorigéne liquide (FFL).

La pression dans le premier narguilé (N5) du condenseur refroidi par le fluide caloporteur de refroidissement (FCref) est établie à une pression (P5) proche mais supérieure à la pression d'évaporation du fluide frigorigéne à la température d'entrée du fluide caloporteur (TE), La pression dans le premier narguilé (N4) de l'évaporateur réchauffé par le fluide caloporteur de réchauffement (FCrec) est établie à une pression (P4) proche mais inférieure à la pression d'évaporation du fluide frigorigéne à la température d'entrée du fluide caloporteur (TE), en se référant à la courbe de changement de phase du fluide frigorigéne. La température d'entrée du fluide caloporteur est mesurée par une sonde thermique (stô). Le différentiel de pression entre la pression (P4) et la pression (P5) est le différentiel de pression hydrostatique, il n'y a pas de buse sur la conduite reliant les narguilés (N4) et (N5). Ces deux pressions sont proches de la pression médiane de la chaîne de narguilés, elles sont obtenues essentiellement par l'ajout ou le retrait de fluide frigorigéne gazeux (FFG) provenant du réservoir (res61) par la pompe (po62) L'augmentation ou la diminution du différentiel de pression fluidique est déterminé par le degré d'ouverture de l'ensemble des buses (bue6 et buc6). Il détermine le différentiel de pression et de température entre le narguilé (N1) et le narguilé (N8). Une augmentation du gradient de pression fluidique de l'ensemble de la chaîne augmente la pression et la température du premier narguilé (N8) et diminue la pression et la température du dernier narguilé (N1). Un gradient homogène de pressions ainsi que les pressions dans le narguilé (N4) et dans le narguilé (N5) sont obtenus par le réglage individuel de chaque buse, guidé par les sondes de pression (spe6 et spc6). Ce réglage peut être réalisé manuellement par un opérateur ou automatiquement par un dispositif de contrôle.

Si l'installation est destinée à produire de la chaleur la pression du premier narguilé (N8) est réglée à une pression proche de la pression d'évaporation du fluide frigorigène à la température souhaitée. Le fluide caloporteur de refroidissement (FCref) est envoyé directement vers l'utilisateur ou vers un échangeur où la chaleur est récupérée par un autre fluide (62U/E). Le fluide caloporteur de réchauffement est envoyé vers un échangeur (61U/E) où le froid est dissipé.

Si l'installation est destinée à produire du froid la pression du dernier narguilé (N1) est réglée à une pression proche de la pression d'évaporation du fluide frigorigène à la température souhaitée. Le fluide caloporteur de réchauffement (FCrec) est envoyé directement vers l'utilisateur ou vers un échangeur où le froid est récupéré par un autre fluide (61U/E). Le fluide caloporteur de refroidissement est envoyé vers un échangeur (62U/E) où la chaleur est dissipée. A l'équilibre le retrait de calories par le fluide caloporteur de refroidissement (FCref) est égal à l'ajout de calories par le fluide caloporteur de réchauffement (FCrec). En cas de déséquilibre, l'équilibre peut être rétabli en modifiant le rapport entre le flux de fluide caloporteur de réchauffement (FCrec) et le flux de fluide caloporteur de refroidissement (FCref).

Si les deux fluides caloporteurs sont de même nature et si le flux de fluide caloporteur de réchauffement (FCrec) est égal au flux de fluide caloporteur de refroidissement (FCref), le différentiel de températures entre la température d'entrée (TE) et de sortie (T1) du fluide caloporteur de réchauffement est égal au différentiel entre la température d'entrée (TE) et de sortie (T8) du fluide caloporteur de refroidissement.

La figure 7 présente plus en détail le climatiseur à narguilés de la figure 5B.

Dans le mode de réalisation de la figure 7, la température d’entrée du fluide caloporteur de réchauffement (FCrec) est inférieure à la température d’entrée du fluide caloporteur de refroidissement (FCref).

La température d’entrée du fluide caloporteur de réchauffement est mesurée par une sonde thermique (st71), la température d’entée du fluide caloporteur de refroidissement par une seconde sonde thermique (st72).

La pression (P4) dans le premier narguilé de l'évaporateur (N4) est établie à une pression inférieure mais proche de la pression d'évaporation du fluide frigorigène à la température d'entrée du fluide caloporteur de réchauffement (FCrec) mesurée par la sonde thermique (st71), en se référant à la courbe de changement de phase du fluide frigorigène. La pression (P5) dans le premier narguilé du condenseur (N5) est établie à une pression supérieure mais proche de la pression d'évaporation du fluide frigorigène à la température d'entrée du fluide caloporteur de refroidissement (FCref) mesurée par la sonde de température (st72). Ces deux pression (P4 et P5) sont établies essentiellement par l'ajout ou le retrait de fluide caloporteur (po72 et res71)

La chaîne de narguilés comporte un ou plusieurs narguilés intermédiaires optionnels isolés thermiquement (Ni) permettant une détente progressive de la pression (P5) à la pression (P4). L'installation fonctionne selon les mêmes principes que pour l'installation de la figure 5; par l'établissement d'une pression médiane située entre la pression (P4) du narguilé (N4) et la pression (P5) du narguilé (N5) essentiellement par l'ajout ou le retrait de fluide frigorigène gazeux (po72 et res71). par le réglage de l'amplitude du différentiel de pression dans la chaîne de narguilés entre la pression (P1) du narguilé (N1) et la pression (P8) du narguilé (N8), par le degré d'ouverture de l'ensemble des buses, par un réglage individuel de chaque buse établissant un gradient de pression homogène entre la pression (P1) du narguilé (N1) et la pression (P4) du narguilé (N4), entre la pression (P4) du narguilé (N4) et la pression (P5) du narguilé (N5) et entre la pression (P5) du narguilé (N5) et la pression (P8) du narguilé (N8).

Comme précédemment l'installation peut être réglée manuellement par un opérateur ou automatiquement par un dispositif de contrôle, plusieurs sondes de pression (spe7, spc7, spi7, sp71, sp72) permettent de mesurer les pressions et de régler le degré d'ouverture des buses (bue7, buc7, bui7).

La figure 8 présente un mode de réalisation des narguilés et un mécanisme passif de contrôle du niveau de fluide frigorigène liquide dans les narguilés.

Elle montre les deux premiers narguilés (Nn et Nn-1) et le réservoir de fluide frigorigène liquide (RFFL). L'apport de fluide frigorigène liquide se fait par une conduite (Affl8), le fluide frigorigène liquide ayant pu soit condenser dans le circuit, soit déborder du dernier narguilé est également ramené dans le réservoir (RFFL), ce liquide est recueilli par écoulement dans un second réservoir (Fig. 6 et 7; res63 et 73).

Le fluide frigorigène liquide (FFL) du réservoir (RFFL) est mis à la pression du fluide frigorigène gazeux en aval du compresseur et en amont du premier narguilé par une conduite de dérivation (df¾8) partant de la conduite de fluide frigorigène gazeux (C81) reliant le compresseur et le premier narguilé (Nn) de la chaîne de narguilés. La pression dans le réservoir et en amont du premier narguilé est la pression du premier narguilé additionnée de la pression hydrostatique de la colonne de liquide du premier narguilé.

Des conduites de fluide frigorigène liquide (cffl8) relient les parties basses du réservoir (RFFL) et du premier narguilé (Nn) et les parties basses des narguilés entre elles.

Si le niveau de liquide est suffisant l'extrémité de la conduite (cffl8) est obturée au niveau du narguilé situé en aval. Si le niveau de liquide baisse, la conduite s'ouvre. Ceci est obtenu par mécanisme présenté sur la figure 8B.

Un flotteur (f8) est relié à une languette (I8) plaquée par deux rails contre la paroi du narguilé au niveau de la terminaison de la conduite (cffl8). La languette (I8) porte un orifice vertical (o8). Si le niveau de liquide baisse dans un narguilé, le flotteur (f8) s'abaisse, entraînant la languette (18), ce qui ouvre la conduite (cffl8). Le liquide passe par la différence de pression du réservoir (RFFL) au premier narguilé (Nn) ou du narguilé placé en amont au narguilé placé en aval. Le rétablissement du niveau ferme la communication. Le mécanisme permet de déterminer un niveau minimal de liquide dans les narguilés, le niveau maximal est déterminé par la hauteur (h) des conduites de fluide frigorigène gazeux reliant les narguilés entre eux (C82).

Des hélices représentés sur la figure 8C on pour axe les conduite de fluide frigorigène gazeux (cffg8) au niveau de la phase liquide des narguilés. Elles permettent de ralentir la remontée des bulles de gaz et d'augmenter le temps de contact entre le fluide frigorigène gazeux bullant dans les narguilés et le fluide frigorigène liquide afin d'améliorer le transfert de calories entre le gaz et le liquide.

Les pales des hélices ont un bord supérieur dentelé afin de fractionner le bulles de gaz après leur passage sur la face inférieure des pales des hélices. Les hélices sont libres de rotation, la remonté de bulles entraîne la rotation des hélice et un brassage du liquide, améliorant les échanges thermiques.

Le circuit de fluide caloporteur n'est pas représenté. Le fluide caloporteur peut être gazeux (air...) ou idéalement liquide.

Le fluide caloporteur peut circuler à l'extérieur des narguilés et les réchauffer ou les refroidir de l'extérieur. Idéalement le fluide caloporteur circule dans des serpentins à l'intérieur des narguilés au contact de la phase liquide du fluide frigorigène. Le fluide caloporteur circule à contresens du gradient de pression dans les narguilés de condensation, l'entrée du fluide caloporteur se fait en haut du serpentin, la sortie en bas. Dans les narguilés d'évaporation au contraire l'entrée du fluide caloporteur se fait en bas du serpentin et la sortie en haut.

La figure 9 montre une application du climatiseur à narguilés dans le couplage d'une installation ayant des besoins de réfrigération; une patinoire (PA9), d'une installation ayant des besoins de chauffage; une piscine (PI9) et d'un puits à accumulation.

Le puits à accumulation consiste en deux conduites posée tête bêche. Elle réalisent - soit un réseau en double spirale posé horizontalement dans le sol (puits en "S"), soit deux ensembles de forages verticaux placés sur un réseau en double spirale. L'une des deux spirales entoure un forage vertical central appelé point chaud (PC), l'autre spirale entoure un forage vertical central appelé point froid (PF). L'air destiné à refroidir la patinoire (PA9) est aspiré en amont du point chaud, il circule dans le sol au point chaud (PC) puis de forage en forage autour du point chaud tout en s'en éloignant avant de réaliser une trajectoire inverse autour du point froid pour être aspiré au point froid où il alimente la patinoire. L'air destiné à la piscine (PI9) circule dans la seconde conduite parallèle, il est aspiré en amont du point froid (PF) et alimente la piscine au point chaud en suivant la même trajectoire que l'air destiné à alimenter la patinoire, mais en sens inverse.

Le flux d'air dans la conduite alimentant la piscine est prédominant à la saison froide, le flux d'air dans la conduite alimentant la patinoire est prédominant à la saison chaude. A la saison chaude la chaleur s'accumule au point chaud et dans le sol environnant en formant un gradient concentrique de températures. En automne et au début de l'hiver la chaleur accumulée dans le sol en été autour du point chaud (PC) est récupérée pour chauffer la piscine (PI9), au printemps le froid accumulé l'hiver dans le soi autour du point froid (PF) est récupéré pour refroidir la patinoire (PA9). La température au niveau du point chaud (PC) sera au maximum la moyenne des températures de l'air quand il y a refroidissement de la patinoire (PA9) et inversement pour la température du point froid.

La variante de la figure 9B permet une augmentation indéfinie de la température du point chaud l'été par aspiration d'un air extérieur plus chaud et une diminution indéfinie de la température du point froid l'hiver par aspiration d'un air extérieur plus froid.

La température de l'air extérieur est mesurée par une sonde thermique (ste9), la température du sol au point froid par une seconde sonde thermique (stfô), la température du sol au point chaud par une troisième sonde thermique (stc9).

Pour le chauffage de la piscine, si la température de l'air extérieur mesurée par la sonde (ste9) est inférieure à la température du sol au point froid (PF) mesurée par la sonde (stf9), une vanne à deux voies (vd9) dirige l'air extérieur (96) vers le point froid (97), si elle est supérieure vers un point ou un forage plus périphérique (98). Inversement pour l'air destiné au refroidissement de la patinoire (96), il est dirigé vers le point chaux (97) par la vanne à deux voies (vd9) située du côté de la piscine (PI9) si la température extérieure mesurée par la sonde (ste9) est supérieure à la température du sol au point chaud mesurée par la sonde (stc9), si elle est inférieure l'air est dirigé vers un point ou un forage plus périphérique (98).

Le refroidissement de la patinoire (PA9) est assuré par un premier climatiseur à narguilés, le réchauffement de la piscine par un second climatiseur à narguilés, c'est une application intéressante car les températures à maintenir dans les deux installations est relativement constante, une source à une température relativement constante est assurée par le puits à accumulation.

Le fluide caloporteur de refroidissement du climatiseur de la patinoire est l'air, le fluide caloporteur de réchauffement du climatiseur de la piscine est également l'air. Le fluide caloporteur de réchauffement du climatiseur de la patinoire est le fluide de refroidissement de la glace de la patinoire, le fluide caloporteur de refroidissement du climatiseur de la piscine est le fluide de réchauffement de l'eau de la piscine.

Les deux climatiseurs sont des climatiseurs du mode de réalisation des figures 5B et 7. Une variante non représentée permet d'utiliser le mode de réalisation des figures 5Aet 6. Dans ce cas une partie de l'air utilisé comme fluide caloporteur de réchauffement (piscine), ou bien de refroidissement (patinoire) est dirigé vers un échangeur alimenté, dans un cas par le fluide de refroidissement de la glace de la patinoire après refroidissement de la glace, dans l’autre par le fluide de réchauffement de l’eau de la piscine après réchauffement de l'eau de la piscine. L'air récupère soit le froid résiduel, soit la chaleur résiduelle, cet air réchauffé ou refroidi est dirigé vers une VMC à double flux et refroidit ou réchauffe de l'air extérieur pur. L'air extérieur refroidi peut être dirigé vers l'arène entourant la patinoire pour réaliser une barrière thermique froide, l'air extérieur réchauffé peut être dirigé le long des parois latérales de la piscine et constituer une barrière thermique chaude. L'air provenant du puits après échange thermique avec le fluide de refroidissement de la glace de la patinoire ou de réchauffement de l'eau de la piscine peut également être directement envoyé dans une double paroi si l'enceinte de la patinoire ou de la piscine est une double enceinte, pour constituer une barrière thermique.

Le fluide de refroidissement de la glace de la patinoire et le fluide de réchauffement de l'eau de la piscine sera alors à la même température d'entrée que l'air alimentant le condenseur ou l'évaporateur des deux climatiseurs (la température de la source), on pourra utiliser le mode de réalisation des figures 5A et 6. L'air constituant le fluide caloporteur de refroidissement du climatiseur de la patinoire - peut avoir trois sources.

Une vanne à trois voies (vt9) dirige l'air le plus froid disponible vers les narguilés de condensation du climatiseur.

La température des trois sources est mesurée en continu ou à intervalles réguliers, ce qui peut être assuré en maintenant un léger flux continu ou discontinu dans les conduites ou circulent les trois sources.

Cet air peut être de l'air extérieur (91), de l'air provenant du point froid (92) ou de l'air refroidi provenant du climatiseur de la piscine (93). Après s'être réchauffé au contact des narguilés (94) du condenseur l’air est renvoyé vers l'extérieur (95) en passant par une masse thermique chaude (mtc9) qu'il réchauffe. L'air constituant le fluide caloporteur de réchauffement du climatiseur de la piscine peut avoir trois sources.

Une vanne à trois voies (vt9) dirige l'air le plus chaud disponible vers les narguilés d'évaporation du climatiseur.

La température des trois sources est mesurée en continu ou de façon intermittente comme pour la patinoire.

Cet air peut être de l'air extérieur (91), de l'air provenant du point chaud (92) ou de l'air réchauffé provenant du climatiseur de la patinoire (93). Après s'être refroidi au contact des narguilés de l'évaporateur (94) l'air est renvoyé vers l'extérieur (95) en passant par une masse thermique froide (mtfô) qu'il refroidit.

Si l'air le plus froid disponible pour alimenter le condenseur du climatiseur de la patinoire provient du climatiseur de la piscine (93), il peut soit s'agir d'air provenant directement de l'évaporateur du climatiseur de la piscine (94) si les deux climatiseurs fonctionnent simultanément, soit d'air extérieur (95) refroidi dans la masse thermique froide (mtf9), si seul le climatiseur de la patinoire fonctionne. L'inverse se produit quand l'évaporateur du climatiseur de la piscine est alimenté par de l'air provenant du climatiseur de la patinoire (93).

La température de l'air est mesurée en continu ou de façon Intermittente sur ta conduite (93) en aval de l'embranchement avec la conduite menant du climatiseur à sa masse thermique, l'air provient alors, soit du climatiseur si l'installation est en fonctionnement, soit de la masse thermique si elle est à l'arrêt.

En pratique; au printemps et en été la patinoire sera refroidie par le froid accumulé en hiver au point froid, en automne et en hiver la piscine sera réchauffée par la chaleur accumulée en été au point chaud, le climatiseur de la piscine produira une quantité importante de froid au printemps car la réserve de chaleur du point chaud sera épuisée, ce qui permettra de préserver la réserve de froid du point froid en alimentant le climatiseur de la patinoire avec de l'air froid provenant du climatiseur de la piscine, le climatiseur de la patinoire produira une quantité importante de chaleur en automne car la réserve de froid du point froid sera épuisée, ce qui permettra de préserver la réserve de chaleur du point chaud en alimentant le climatiseur de la piscine avec de l'air chaud provenant du climatiseur de la patinoire. D'autres modèles de puits à accumulation sont possibles.

Si la température du sol est mesurée en plusieurs points et si le puits présente plusieurs entrées, toutes situées entre deux points où la température du sol est mesurée, une entrée s'ouvrant quand la température extérieure est située entre la température du sol mesurée aux deux points de mesure l'encadrant, la conduite peut être unique. Le point chaud et les sections du circuit placé autour se réchaufferont indéfiniment en été par aspiration d'un air extérieur plus chaud, ils refroidiront en restituant la chaleur accumulée et inversement pour le point froid. Le puits devra dans tous les cas avoir une longueur suffisante pour éviter que la température à la périphérie du point chaud dépasse à la fin de l'été la température du sol environnant afin de ne pas réchauffer la périphérie du point froid et inversement pour le point froid. le cycle thermodynamique réalisé par le climatiseur à narguilés est différent du cycle réalisé par un climatiseur classique. Le rendement énergétique d'une installation classique est certes excellent, mais loin du rendement théorique du cycle idéal de Carnot. Ce rendement peut difficilement être atteint par les moyens classiques.

Le cycle de Carnot est représenté sur la figure 10A avec en abscisses les températures, en ordonnées les pressions, il comporte quatre phases: -Une compression adiabatique (1) ou isentropique amenant le gaz à la température de la source ou de l'utilisateur "chaud". -Une compression isotherme pouvant être qualifiée d'exentropique (2), il y a transfert de l'entropie du gaz à la source ou à l'utilisateur "chaud". -Une détente adiabatique (3) amenant le gaz à la température de la source ou de l'utilisateur "froid". -Une détente isotherme pouvant être qualifiée d'endentropique (4), l'entropie de la source ou de l'utilisateur "froid" est transférée au gaz. les échanges thermiques sont isothermes, iis se traduisent, soit par un gain, soit par une perte d'entropie sans échange de calories. La détente ou la compression isotherme sont difficile à obtenir en pratique, il faudrait un temps de contact très long avec la source chaude ou la source froide pour réaliser, soit une compression, soit une détente isotherme et régler très précisément les pressions lors de ces deux phases. Tout se complique encore si on fait intervenir un fluide frigorigène à deux phases, c'est ce que réalise un climatiseur classique. Ce cycle est représenté sur la figure 10B.

Comme précédemment en abscisses sont représentées les températures, en ordonnées les pressions. Au milieu de la figure est représentée en pointillés la courbe de changement de phase (CCP) avec en haut la phase liquide (L), en bas la phase gazeuse (G).

Le cycle est composé de quatre phases; -Une compression adiabatique (1), elle est isentropique et s'accompagne du réchauffement du fluide frigorigéne gazeux. -Un refroidissement quasi-isobare (2) avec passage de la courbe de changement de phase à haute pression et à haute température, le fluide frigorigéne passe de l'état gazeux à l'état liquide en cédant sa chaleur latente de condensation. -Une détente du fluide frigorigéne liquide dans le détendeur (3). -Un refroidissement suivi d'un réchauffement dans l'évaporateur (4), il s'accompagne du second passage de la courbe de changement de phase, le fluide frigorigéne liquide à basse pression se refroidit en s'évaporant puis se réchauffe, l'utilisateur ou la source froide compense la perte par le fluide frigorigéne de la chaleur latente d'évaporation.

La comparaison de la figure 10Aet de la figure 10B montre les différences avec le cycle idéal de Carnot. La détente du fluide frigorigéne liquide (3) est une perte d'énergie. Les échanges thermiques ne sont pas isothermes. Un écart important doit exister entre la température du fluide frigorigéne et la température, soit de la source, soit de l'utilisateur, car le fluide frigorigéne est, soit à l'état de gaz (4), soit un mélange de liquide et de gaz (2). Le temps de cor>tact entre le fluide frigorigéne et l'utilisateur est court (le temps de contact avec la source peut être plus long car son rôle est de dissiper, soit la chaleur, soit le froid). Les conséquences fluidiques de l'expansion en volume après l'évaporation avec création d'une cinétique parasite ont déjà été évoquées.

Le climatiseur à narguilés dans le mode de réalisation des figures 5A et 6 réalise un cycle à trois phases, dans le mode de réalisation des figures 5B et 7 un cycle à quatre phases. Le cycle du mode de réalisation des figure 5A et 6 est représenté sur la figure 10C, les trois phases sont; -Une compression adiabatique ou isentropique (1). -Une détente avec soustraction de calories qualifiée "d'exentropique" (2). -Une détente avec apport de calories qualifiée "d'endentropique".

Dans la première détente (2) comme dans la seconde détente (3), l'écart de température avec la source, soit de frigories (le fluide caloporteur de refroidissement), soit de calories (le fluide caloporteur de réchauffement) est faible, les températures des deux éléments des échanges sont faiblement mitigées, comme dans la détente et la compression isothermes du cycle de Carnot, les échanges se font dans un gradient de températures. Le fluide frigorigène est à l'état liquide et le temps de contact est long. Sur toute la zone d'échange le fluide frigorigène est proche de sa courbe de changement de phase dans un état instable où toute soustraction de calories se traduit par un passage de la phase gazeuse à la phase liquide, inversement tout apport de calories se traduit par un passage de la phase liquide à la phase gazeuse avec dans le premier cas, absorption de la chaleur latente de condensation par le fluide caloporteur de refroidissement (2) et dans le second cas, cession par le fluide caloporteur de réchauffement de la chaleur latente d'évaporation (3). Le cycle se traduit essentiellement par l'échange des chaleurs latentes à la fois d'évaporation et de condensation.

Les températures de sortie des fluides caloporteurs sont variables et déterminées par la pression dans le premier narguilé de la chaîne pour le chauffage, dans le dernier narguilé pour le refroidissement.

Les causes de l'écart de rendement d'un cycle thermodynamique d'un climatiseur classique avec le rendement théorique du cycle de Carnot sont nombreuses, elles sont toutes diminuées voir absentes dans le climatiseur à narguilés. L'écart de rendement d'un climatiseur classique avec le rendement théorique du cycle cycle de Carnot est considérable, l'enjeu mérite que l'on recherche une alternative, le climatiseur à narguilés en est une.

Claims

REVENDICATIONS 1) Dispositif de chauffage et/ou de refroidissement reposant sur la circulation en boucle d'un fluide frigorigène avec compression adiabatique du fluide frigorigène gazeux suivie d’une détente dans une chaîne de narguilés, constituée d’une succession de récipients contenant dans leur partie basse le même fluide frigorigène liquide et dans leur partie haute le fluide frigorigène gazeux, lesdits narguilés sont reliés les uns aux autres par des conduites reliant la partie haute du narguilé placé en amont à la partie basse du narguilé, placé en aval avec; - dans la première portion à plus forte pression, refroidissement desdits narguilés par un fluide caloporteur de refroidissement circulant à contresens du fluide frigorigène, après réchauffement ledit fluide caloporteur est soit directement utilisé, soit la source de chaleur d’une installation ayant des besoins de chauffage, - dans la seconde portion à plus faible pression, réchauffement desdits narguilé par un fluide caloporteur de réchauffement circulant dans le même sens que fluide frigorigène, après refroidissement ledit fluide caloporteur est soit directement utilisé, soit la source de froid d’une installation ayant des besoins de refroidissement.
2) Dispositif de chauffage et/ou de refroidissement selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il établit; - une pression médiane dans la chaîne de narguilés par l'ajout ou le retrait de fluide frigorigène gazeux avec; - une pression inférieure mais proche de la pression d'ébullition du fluide frigorigène à la température d'entrée du fluide caloporteur de réchauffement dans le premier narguilé réchauffé par ledit fluide caloporteur, - une pression supérieure mais proche de la pression d'ébullition du fluide frigorigène à la température d'entrée du fluide caloporteur de refroidissement dans le premier narguilé refroidi par ledit fluide caloporteur, - un gradient de pression par la présences de buses réglables à l'extrémité des conduites reliant deux narguilés, ledit gradient de pressions détermine le différentiel de pression entre le premier et le dernier narguilé de la chaîne et; - une température de sortie du fluide caloporteur de refroidissement proportionnelle à la pression régnant dans le premier narguilé de la chaîne, - une température de sortie du fluide caloporteur de réchauffement proportionnelle à la pression régnant dans le dernier narguilé de la chaîne, rétablissement des pression dans la chaîne de narguilés est guidée par la présence de sondes de pressions; dans les narguilés, en amont et en aval de la chaîne, le réglage desdites buses est, soit réalisé manuellement par un opérateur, soit automatiquement par un dispositif de contrôle, l'équilibre entre le réchauffement et le refroidissement est établi par l'équilibre entre le flux de fluide caloporteur de réchauffement et le flux de fluide caloporteur de refroidissement.
3) Dispositif de chauffage et/ou de refroidissement selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que, dans le mode de réalisation proposé, la conduite de fluide frigorigène gazeux ramenant ledit fluide du dernier au premier narguilé de la chaîne comporte (Fig. 6 et 7); - un réservoir (res63, res73) permettant le recueil du fluide frigorigène liquide ayant pu soit déborder du dernier narguilé (N1), soit condenser dans la conduite, ledit liquide est amené dans un second réservoir de fluide frigorigène liquide (res62, res72) relié au premier narguilé de la chaîne (N8), - un réservoir de fluide frigorigène gazeux (res61, res71) permettant par l'effet d'une pompe (po62, po71), soit d'augmenter, soit de diminuer l'ensemble des pression dans la chaîne de narguilés.
4) Dispositif de chauffage et/ou de refroidissement selon les revendications 1 à 3 caractérisé en ce que, dans le mode de réalisation proposé (fig. 8), la chaîne de narguilés présente un mécanisme de maintient d'un niveau minimal de liquide dans chaque narguilé; une conduite (cffl8) relie un réservoir de fluide frigorigène liquide (RFFL) au premier narguilé de la chaîne (Nn) et les parties basse des narguilés entre elles, ladite conduite est obturée au niveau du narguilé placé en aval par une languette (I8) présentant un orifice vertical (o8), ladite languette est liée à un flotteur (fô), une baisse du niveau de liquide dans un narguilé ouvre la communication par ledit orifice (o8) avec le réservoir (RFFL) ou le narguilé placé en amont, la pression dans le réservoir de fluide frigorigène liquide (RFFL) est supérieure à la pression dans le premier narguilé (Nn) grâce à la présence d'une conduite de dérivation (Dffg8) reliée à la partie haute dudit réservoir (RFFL) venant de la conduite (C81) amenant le fluide frigorigène gazeux comprimé au premier narguilé (Nn).
5) Dispositif de chauffage et/ou de refroidissement selon les revendications 1 à 3 caractérisé en ce que dans le mode de réalisation proposé (Fig. 8), les narguilés présentent un mécanisme de ralentissement de la remontée des bulles de fluide frigorigène gazeux constitué d’hélices posées sur les conduites (cfiigS), au niveau de la partie basse liquide desdits narguilés, lesdites hélice sont libres de rotation et présentent un bord supérieur dentelé.
6) Dispositif de chauffage et/ou de refroidissement selon les revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les narguilés de condensation sont refroidis et les narguilés d'évaporation réchauffés par deux fluides caloporteurs pouvant être soit liquides, soit gazeux, les deux fluides caloporteurs refroidissent ou réchauffent les narguilés, soit de l'extérieur, soit de l'intérieur en circulant dans des serpentins placés dans la partie basse liquide des narguilés, le fluide caloporteur de refroidissement circule dans le sens du gradient de pression, le fluide caloporteur de réchauffement dans le sens inverse du gradient de pression de la chaîne de narguilés.
7) Ensemble comportant (Fig. 9); - une installation ayant des besoins de refroidissement (PA9), alimentée par un premier climatiseur à narguilés selon les revendications 1 à 6, - une installation ayant des besoins de chauffage (PI9), alimentée par un second climatiseur à narguilés selon les revendications 1 à 6, - un puits à accumulation constitué de deux conduites d’air parallèles, lesdites conduites sont; - soit posée horizontalement dans le sol et forment deux doubles spirales, - soit constituées d’une succession de forages verticaux reliés entre eux par deux conduites parallèles horizontales formant chacune une double spirale, l’une des extrémités des deux conduites est appelée point froid (PF), l’autre extrémité des deux conduites est appelée point chaud (PC), l’air de la première conduite alimente l’installation ayant des besoins de refroidissement (PA9), l’air de la seconde conduite alimente l’installation ayant des besoins de chauffage (PI9), - si les deux conduite comportent une entrée unique (Fig. 9A), l’air destiné à l’installation ayant des besoins de refroidissement (PA9) circule du point chaud (PC) au point froid (PF), l’air destiné à l’installation ayant des besoins de chauffage (PI9) circule du point froid (PF) au point chaud (PC), - si les deux conduites présentent deux entrées (Fig. 9B), une première sonde thermique (ste) mesure la température de l’air extérieur, une seconde sonde thermique (stf9) mesure la température du sol au point froid, une troisième sonde thermique (stc9) mesure la température du sol au point chaud, une vanne à deux voies (vd9) dirige l’air extérieur destiné à l’installation ayant des besoins de refroidissement (PA9); - vers le point chaud (PC) si la température de l’air extérieur est supérieure à la température du sol au point chaud (97), - vers un point ou un segment de conduite reliant deux forages plus périphérique si elle est inférieure (98), une seconde vanne à deux voies (vd9) dirige l’air extérieur destiné à l’installation ayant des besoins de chauffage (PI9); - vers le point froid (PF) si la température de l’air extérieur est inférieure à la température du sol au point froid (97), - vers un point ou un segment de conduite reliant deux forages plus périphérique si elle est supérieure (98), les narguilés d’évaporation du climatiseur de l’installation ayant des besoins de refroidissement (PA9) refroidissent le fluide alimentant ladite installation, les narguilés de condensation du climatiseur de l’installation ayant des besoins de chauffage (PI9) réchauffent le fluide alimentant ladite installation, les narguilés de condensation du climatiseur de l’installation ayant des besoins de refroidissement (PA9) sont refroidis, les narguilés d’évaporation du climatiseur de l’installation ayant des besoins de chauffage (PI9) sont réchauffés soit; - par de l'air extérieur (91), - par de l'air provenant du puits à accumulation (92), - par de l'air provenant de l'installation opposée (93), une vanne à trois voies (vt9) dirige l’air le plus froid disponible vers les narguilés de condensation de l’installation ayant des besoins de refroidissement (PA9), l'air est ensuite envoyé vers l’extérieur en passant par une masse thermique chaude (mtc9), une seconde vanne à trois voies (vt9) dirige l’air le plus chaud disponible vers les narguilés d’évaporation de l’installation ayant des besoins de chauffage (PI9), l'air est ensuite envoyé vers l'extérieur en passant par une masse thermique froide (mtf9), la conduite (94) menant d’air des narguilés au deux masse thermique (mtc9 ou mtf9) comporte un embranchement avec la conduite (93) menant l’air à l'installation opposée.