FR3113705A1

FR3113705A1 - COMPRESSEUR ou MOTEUR à SOLIDIFICATION de L’EAU

Info

Publication number: FR3113705A1
Application number: FR2008670A
Authority: FR
Inventors: jean Morpain
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-08-25
Filing date: 2020-08-25
Publication date: 2022-03-04

Abstract

Le compresseur ou moteur à solidification de l’eau comporte notamment un cylindre contenant de l’eau et un piston mobile. l’eau gelée se dilate et pousse le piston qui revient par gravité lorsqu’elle fond. L’énergie mécanique produite compresse des gaz ou produit de l’électricité, la force surfacique de la glace d’un litre d’eau étant d’environ 221 bars. Différents dispositifs permettent d’accélérer la fréquence de ses phases et porter la puissance délivrée par un litre d’eau à plus de 50 kWh. Son efficacité énergétique est largement supérieure à celle des compresseurs électriques ou à combustion interne parce qu’il ne génère aucune perte de chaleur et que son système bicorps, avec un cylindre se refroidissant pendant que l’autre se réchauffe, permet une récupération d’environ la moitié de l’énergie absorbée. Sa puissance est obtenue par l’utilisation d’un faisceau de petits cylindres, la durée de la solidification de l’eau étant proportionnelle à son volume. Figure à publier avec l’abrégé : Fig 1. [Figures]

Description

COMPRESSEUR ou MOTEUR à SOLIDIFICATION de L’EAU

Présentation

Le moteur à combustion fournit du travail en brûlant son carburant, le compresseur ou moteur à solidification de l’eau fait exactement l’inverse: il fournit un travail par refroidissement de sa matière qu’il conserve indéfiniment. Il peut être désigné dans le corps du texte par «compresseur à glace» ou «compresseur à énergie froide». Le terme «énergie froide» est une facilité de langage qui permet de distinguer l’invention de la machine à faire des glaçons, qui n’a pas le même usage, et du moteur à eau qui n’est en fait qu’un moteur à combustion d’hydrogène. Mais la notion d’énergie froide permet de désigner une alternative réelle et inexploitée à l’énergie chaude du moteur à combustion et du moteur électrique, dont le fonctionnement relève d’une logique différente. L’énergie froide, au même titre que l’énergie du soleil ou du vent, est une énergie naturelle et renouvelable. Elle présente sur ces dernières l’avantage de pouvoir être obtenue artificiellement. Elle se manifeste notamment sous forme d’écarts de température de l’air ambiant et n’est utilisable directement par le moteur à glace que lorsque la température la plus basse est négative. Le moteur et le compresseur présentés ici exploitent cette énergie, le premier pour produire un mouvement de rotation, le second pour comprimer des gaz. Ils peuvent bien entendu fonctionner aussi à 50 % avec une énergie à empreinte carbone, lorsqu’ils ne trouvent pas l’énergie chaude ou froide dans l’ environnement.

La structure de base de ces appareils à glace est très simple, comme l’illustre le dessin de la . Il s’agit d’un cylindre contenant de l’eau distillée dont la solidification produit une pression qui est dirigée sur un piston à simple effet. Pour renouveler cette pression l’eau est dégelée. Le compresseur à glace sert à comprimer sans dégagement de chaleur des gaz à une pression uniquement limitée par la résistance de ses matériaux et de ses réservoirs et par la quantité d’eau contenue dans ses cylindres.

Le débit du compresseur (rapport volume/pression) est constant . Cette pression dépend du volume de sa chambre de compression. Avec une chambre de compression dimensionnée à la pression de service il peut remplir les mêmes fonctions qu’un compresseur électrique. Dans sa version «traversante» il peut être fixé sur la paroi d’un grand réservoir ou d’une cavité naturelle pour stocker de l’énergie sous forme d’air comprimé. Le «compresseur traversant» prélève l’air à l’extérieur du réservoir et le comprime sans le chauffer dans la tuyauterie .

Outre l’idée et le principe, l’invention porte sur les dispositifs qui permettent d’obtenir un travail continu, de maîtriser la force de la glace et d’optimiser sa compression isotherme. Elle se décline en 4 types de compresseurs (monocorps, bicorps, cellulaire et traversant) et un générateur d’électricité. Dans ces déclinaisons tous les échanges thermiques se font par air.

Le compresseur monocorps permet d’utiliser des énergies froides et chaudes irrégulières et dissymétriques par rapport à la température centrale de 0°C de solidification et de fusion de l’eau. Toutefois son rendement est inférieur au compresseur bicorps dont le système thermodynamique, plus complexe. équilibre les débits des deux sources. Les machines à glace, malgré leur rendement modeste mais constant (énergie fournie sur énergie absorbée), ont une meilleure efficacité industrielle (coûts directs et indirects sur service rendu) et une efficience écologique évidente pour 7 raisons principales:

1 La machine à glace utilise les énergies gratuites et les stocke sous forme d’air comprimé. Elle trouve déjà dans l’environnement immédiat, pratiquement en permanence, la moitié de l’énergie dont elle a besoin, soit pour la solidification de son eau, soit pour sa fusion. A défaut, elle utilise les énergies froide et chaude provenant d’appareils de cryogénisation et de chauffage de l’air électriques alimentés par les générateurs de sources d’énergies renouvelables intermittentes (marémotrice, solaire et ou éolienne). Lorsque ces sources d’énergie sont actives, elle les stocke. Lorsque ces conditions ne sont pas réunies elle dépend, comme le compresseur électrique de l’énergie fournie par le réseau.
2 La compression à glace est isotherme et produit un air à température ambiante et propre qui n’a pas besoin d’être refroidi.
3 Le compresseur à glace comprime en une seule phase à de très hautes pressions. Sa consommation est constante, quel que soit le taux de pression produit.
4 Son système bicorps, comprenant un corps de cylindres qui refroidit pendant que l’autre chauffe, permet d’économiser 47% d’énergie.
5 Le compresseur peut comprimer directement l’air d’un réservoir (comme on gonfle un pneu), ce qui réduit les pertes de transfert de l’air comprimé.
6 Le moteur ou compresseur à glace ne consomme aucune matière première, directement ou indirectement. Il conserve en permanence l’eau pure contenue dans ses réservoirs, ne rejette aucune substance et ne produit aucun déchet. Il n’occasionne donc aucun coût secondaire (systèmes de dépollution, mises en conformité, taxes, assurances, maladies professionnelles).
7 Ses constituants, l’air et l’eau, en quantité infinie se trouvent partout. Ils n’entraînent aucun frais d’extraction, de transformation et de transport.

Le moteur à énergie froide, à l’inverse du moteur électrique ou à combustion interne, comprime fort et lentement. 5 moyens complémentaires permettent de multiplier la fréquence de ses phases et de l’affranchir du «palier de température» des changements d’état de l’eau à 0°C, qui est proportionnel au volume d’eau, à la quantité de chaleur apportée et à la conductivité des parois des cylindres.

1 Le premier moyen, par ordre d’évidence mais pas d’efficacité, consiste à fournir davantage d’énergie sur un temps plus réduit en augmentant l’écart de température entre la source froide et la source chaude, la durée des changements d’état de l’eau et de leurs paliers diminuant en proportion.
2 Le second moyen d’accélération, de loin le plus déterminant, est la répartition de l’eau dans des cylindres plus petits, la durée des changements d’ état de l’eau étant proportionnelle à sa masse.
3 Le troisième moyen consiste, pour réaliser les cylindres à utiliser les métaux ou les alliages les plus conducteurs. Par pragmatisme nous avons cependant cité l’inox parce qu’il permet de fabriquer dès aujourd’hui de petits cylindres solides de 0,3 mm diamètre intérieur avec une faible épaisseur, ce que ne n’autorise pas le cuivre ou l’argent, ou certains alliages qui sont de bien meilleurs conducteurs thermiques.
4 Le quatrième moyen, déjà mentionné pour économiser l’énergie, est la division de l’eau d’un même moteur en 2 corps d’échange thermique dans une cuve commune. Un corps gèle pendant que l’autre fond. Le compresseur bicorps divise par 2 la durée de la phase d’inversion d’état de l’eau.
5 Le cinquième moyen est l’utilisation en synergie de plusieurs compresseurs bicorps dont les solidifications sont maintenues décalées par un programme électronique. La fréquence est multipliée par le nombre de compresseurs cellulaires, (ainsi que le volume d’eau et l’énergie absorbée) Ce décalage affranchit le système de la durée du palier de température.

Informations générales

Il est possible (avec des moyens industriels) de fabriquer rapidement un moteur à glace à l’aide des dispositifs présentés ci-après, des technologies, des connaissances scientifiques et des matériaux existants.

Dans une installation industrielle, le remplacement par le compresseur isotherme d’un compresseur à combustion ou électrique fera gagner de la place car un certain nombre d’accessoires n’auront plus d’utilité (réfrigérant, séparateurs, filtre déshuileur, extracteur de chaleur fatale…). Le réseau aval d’air comprimé pourra-être repris. En revanche il faudra trouver du chauffage.

Toute la dilatation de la glace se développe dans l’axe du cylindre si la résistance qu’elle rencontre est inférieure à celle de son contenant. Les matériaux utilisés pour fabriquer un compresseur à glace, notamment son cylindre, n’ont pas besoin de résister à la poussée de la glace mais doivent impérativement supporter la pression de service du compresseur. Du fait de la lenteur de sa poussée, un compresseur à glace n’explose pas. Il est toutefois préférable d’éviter des métaux carbonés comme la fonte ou tout autre matériau de faible résistance mécanique en flexion. En cas d’obstruction ou de résistance supérieure à sa force il se dilate et s’ouvre peu à peu sur sa partie la plus faible sans création de chaleur sensible. Cette partie moins résistante peut-être prévue dès la conception pour réduire les dégâts accidentels.

Dans un compresseur à glace la pression de sortie dépend du volume de la chambre de compression des gaz, laquelle dépend des capacités de stockage (taille et résistance des réservoirs) et du débit de gaz comprimé utilisé simultanément.

Dans un moteur à glace la force axiale transmise est constante. On ne peut ni augmenter ni diminuer l’énergie apportée en cours d’utilisation, ralentir ou accélérer rapidement la machine. On ne peut que couper son alimentation, changer ses rapports de transmission ou débrayer .

La force de l’eau qui gèle se définit à partir de son coefficient de compressibilité (K) qui est de 0,454545 GPA (inverse de son module d’élasticité cubique, soit 1/ 2,2 GPa). Il faut 0,454545 gigapascal pour retenir complètement son expansion, ce qui revient à dire qu’elle produit une force de 0,454545 gigapascal, soit une pression de 0,454545 milliards de pascal sur une surface de 1 m² ou encore de 0,454545 milliards de newton. Pour calculer la force d’un litre d’eau, qui nous servira d’unité de référence, nous partons de la surface d’une sphère de 1 litre d’eau. Dans une sphère chaque point de la surface produit la même force dans une direction singulière, ce qui n’est le cas avec tous les autres volumes présentant obligatoirement une surface plus grande mais ne pouvant produire pour autant davantage de force. Nous ne sommes pas dans le cadre d’un échange thermique mais dans l’application de la force d’un matériau isotrope . La force de la glace est constante, quel que soit son contenant, comme le taux de dilatation de l’eau liquide se solidifiant, qui est de 9%. L’aire d’une sphère de 1 litre d’eau est d’environ 0,04836 m². Elle passe à 0,048649 m² en fin de solidification. La force surfacique de la glace d’un litre d’eau est donc d’environ 0,022113159705 GPA (0,454545 GPA x 0,048649), soit 22 113 159,705 pascal ou 221,1316 bars. Sa force linéaire au barycentre du piston est proportionnelle au taux d’expansion de 9%. La différence entre la force surfacique et la force linéaire est contenue par les parois du cylindre qui doivent lui résister. Dans un compresseur à glace de un litre d’eau fournit une pression qui peut porter au maximum à 19,901844 bars (221,1136 bars x 0,09) un volume de gaz égal au volume d’expansion.

Cette fonction d’état extensive, proportionnelle à la quantité d’eau, va se manifester par une dilatation de 9,01% du volume initial de l’eau si elle n’est pas contenue dans un récipient fermé qui lui résiste. Dans un cylindre ouvert où flotte un piston, la pression de la glace va s’exercer à l’extérieur sous la forme d’une dilatation vectorielle dirigée dont le point d’application sera au barycentre du piston. Le piston flottant du moteur à glace va pousser devant lui une masse compacte ou, dans sa version compresseur, un volume d’air dans une chambre de compression. La puissance de la glace provient de la capacité exceptionnelle de l’eau à emmagasiner l’énergie thermique et à la diffuser aussi lentement qu’elle l’a absorbée. On peut demander à cette batterie naturelle qu’est l’eau de délivrer plus rapidement son énergie en provoquant sa dilatation, soit sous forme de vapeur, soit sous forme de glace. L’énergie que l’on doit apporter pour sa vaporisation est de 2 257 kJ/kg, contre 334 kJ/kg pour sa solidification. Le rendement sera le même dans des proportions différentes mais la création de vapeur nécessite la combustion d’une énergie électrique ou carbonée et une consommation d’eau importante. Le moteur à glace met à profit une anomalie physique de cette dernière qui, contrairement à la très grande majorité des autres corps, se dilate en se refroidissant.

Contrairement à la compression adiabatique obtenue avec un moteur thermique, la compression du compresseur à glace est à caractère isotherme. Il n’est donc pas besoin de refroidir l’air comprimé pour le stocker. L’énergie mécanique de la glace est produite uniquement par la cristallisation progressive et lente de l’eau à 0°C dont la transmission ne génère aucun choc moléculaire dans l’air en compression, alors que le piston brûlant du compresseur thermique diffuse contre-productivement sa chaleur et compresse l’air très rapidement, ce qui provoque des collisions moléculaires engendrant une énergie cinétique qui augmente sa température. La durée de compression du moteur thermique se mesure en millisecondes, celle d’un moteur à glace en secondes en minutes ou en heures selon la quantité d’eau contenue dans son cylindre ou dans chacun de ses cylindres et les quantités d’énergie froide et chaude absorbées.

Multiplications de la fréquence des phases et de l’énergie horaire fournie par un compresseur à glace.

Il est très risqué de s’avancer sur la durée exacte d’une solidification et d’une fusion de l’eau d’un compresseur à énergie froide en raison de la multiplicité des paramètres qui interviennent dans ses échanges par convection et aussi par convection, les cylindres ne flottant pas dans l’air. Cependant il nous faut en donner une estimation pour justifier la logique de notre approche proportionnelle des propriétés de l’eau. Nous avons retenus les paramètres qui se sont avérés les plus déterminants dans nos essais domestiques et les avons extrapolés pour appréhender la réactivités des petits cylindres que nous n’avions pas.

Dans la tableau de la , qui anticipe la présentation des différents moyens d’accélération du compresseur, les durées de phases lentes n’étonneront personne même si elles sont rallongées par le temps nécessaire à une diminution ou une augmentation de 20 °C de la masse d’eau. Elles ont en effet été mesurées en sortie de congélateur ou à partir d’une eau à température ambiante . Les phases les plus courtes seront probablement contestées car nous n’en apportons que la conviction et la déduction logique. Par ailleurs nous n’avons pas testé des cylindres à ailettes qui augmenteraient la surface d‘échange et donneraient des vitesses encore plus élevées Reste le principe d’un «palier de température» qui n’est jamais relativisé et qui est toujours présenté de la même façon à O°C avec une durée de 3 minutes qui semble incompressible. Ce palier existe et un changement d’état n’est jamais instantané mais il suffit de faire fondre un petit et un gros glaçon avec une lampe à souder pour constater que la durée de ce palier peut se mesurer en secondes et qu’elle est inversement et au débit de la chaleur fournie.

Compresseur monocorps( )

Le compresseur monocorps, sans grand intérêt économique, permet d’exposer le fonctionnement et les techniques de base d’une machine à énergie froide qui ne seront pas reprises par la suite. La présente les 3 temps du fonctionnement du compresseur monocorps .

Ier temps REFROIDISSEMENT. L’eau est confinée dans un cylindre (1) dont les parois peuvent résister à la pression de service consignée (la pression sera dirigée vers le piston qui n’ oppose que la résistance de l’air de la chambre de compression ). Le cylindre est contenu dans une cuve isolée (2) remplie d’air. Le directeur de commande numérique (DCN) (3), informé par le capteur de pression (4) que l’eau est à l’état liquide, agit sur les actionneurs des vannes électriques d’arrivée et de sortie (5) (6) de l’air froid provenant du refroidisseur (7) et actionne le ventilateur de conduit (8). L’air froid circule autour du cylindre, reçoit la chaleur de l’eau et retourne dans le refroidisseur. Il effectue ce cycle en circuit fermé jusqu’à ce que l’eau se transforme en glace. L’air ambiant a pénétré par la valve d’admission (9) dans la chambre de compression (10). La valve de refoulement (11), poussée par un reste de gaz comprimé, est fermée.
2ème temps COMPRESSION- STOCKAGE L’eau s’est solidifiée et a fait monter le piston (12) de 9% de la hauteur du cylindre. Le piston compresse l’air contenu dans la chambre de compression. Il s’agit d’un double piston en H renversé qui possède deux surfaces spécifiques pour l’air et pour la glace. Ses deux disques écartés, d’une même aire, lui permettent de rester dans l’axe du cylindre. Côté glace, il est recouvert d’une couche de caoutchouc pouvant absorber les dénivelés de la glace. Son joint n’est pas serré car la glace gèle en premier dans les petits passages et crée son propre bouchon. C’est la raison pour laquelle les réductions de la section du piston par rapport à celle du cylindre pour obtenir une course plus importante sont inefficaces et même dangereuses pour le matériel. Côté air, le problème est différent. Il n’y a pas besoin d’huile et de matériau résistant à la chaleur mais une excellente étanchéité, comme celle d’un solide piston de compresseur classique. Dès que la pression est montée dans la chambre, le DCN ferme l’arrivée d’air froid. Il peut aussi, s’il a été programmé pour accélérer les phases, ouvrir déjà l’arrivée d’air chaud (13). Le piston n’est pas arrêté par une butée. La longueur de sa course est déterminée par le volume de son eau et sa section. Le réglage de la pression de service se fait en diminuant ou en augmentant le volume de la chambre de compression. La pression maximale est obtenue avec un volume de chambre égal au volume déplacé par le piston. La pression maximale est de 1978 bars par kilo d’eau. En pratique elle est limitée par la résistance des matériaux. Une surpression de 1 bar est obtenue avec un volume de réservoir égal à 1978 fois le volume de déplacement du piston. Avec un compresseur contenant 10 litres d’eau dans ses cylindres, le volume déplacé sera de 900 cm³ et il faudra par exemple une chambre de 1780 litres pour produire 1 bar ou une chambre de 297 litres pour comprimer à 6 bars, de 6 litres pour 300 bars, de 3,56 litres pour obtenir 500 bars. Le réservoir tampon (14) sera proportionné à ces volumes (produits en une fois), à la vitesse du compresseur et à la consommation instantanée de l’installation d’air comprimé.
3ème temps RÉCHAUFFEMENT. Une fois le gaz comprimé passé dans le réservoir tampon, l’air ambiant pénètre à l’intérieur de la chambre de compression. Le DCN ouvre les vannes d’entrée (15) et de sortie (16) d’air chaud dans la cuve. Un régulateur de pression (17) avec décompression automatique et installé en amont de la vanne. Sa valeur de consigne de sortie peut-être ajustée manuellement. L’air chaud circule autour du cylindre et revient dans son réservoir où il est réchauffé. Dès que la glace est dégelée le piston retombe par gravité et par l’aspiration créée par la diminution de volume de l’eau fusionnée. Avec certains accessoires qui freinent sa course, un ressort de compression (non représenté) peut être installé dans la chambre.

Dispositif d’accroissement de la fréquence des solidifications

(figures 4 et 5)

Le problème majeur de l’utilisation de la force de la glace est la lenteur de sa formation et de sa fusion. La solution radicale pour faire tourner plus vite le moteur à glace est de répartir son eau dans des cylindres plus petits. Ces petits cylindres sont vissés sur un plateau qui les sépare d’un piston commun. La montre un cylindre en inox réalisé avec le tube dont on fait les aiguilles de distribution industrielle. Nous avons pris l’exemple d’un tube de 1200 mm de longueur, de 1,55 mm de diamètre intérieur et de 2,1 mm de diamètre extérieur. Il contient 2000 mm³ d’eau dans une colonne d’eau de 1060 mm. Son piston de 120 mm de long sort de 95,4 mm avec la dilatation de l’eau. Tous les cylindres fixés sur le plateau poussent sur un piston commun. Ils se vissent déjà remplis par le bas par un écrou indépendant de celui qui obture l’orifice de remplissage.

Avec cette méthode de vissage sur le plateau les pistons n’ont pas besoin de prendre appui sur le fond de la cuve pour produire leur force verticale. L’espace libéré améliore l’échange de chaleur dans la cuve. Cette multiplication n’est pas sans conséquence sur la surface du piston et donc sur le volume total du compresseur. La (Proportions du piston) schématise le piston d’un compresseur dont on a réparti les 1000 cm³ dans un faisceau de 500 cylindres de 2 cm³. Chaque cylindre est éloigné d’un

diamètre intérieur de ses voisins. Cette distance d‘échange thermique semble un bon compromis entre la nécessité de bien faire circuler l’air autour des cylindres, la volonté de ne pas trop augmenter l’aire de la cuve et les contraintes de vissage et de dévissage par le dessous de chaque cylindre. La tête du cylindre qui se visse sur le plateau a été prévue plus large que l’écrou à l’autre extrémité afin de pouvoir engager une visseuse. D’autre part cette tête, dont les dimensions pourraient être standards, comme celle des aiguilles de distribution, déborde suffisamment sur le tube pour l’éloigner de ses voisins. Avec la même tête et des tubes de taille différentes on peut faire varier la vitesse du compresseur sans changer son plateau.

Pour se faire une idée de l’augmentation du diamètre du compresseur avec la multiplication de ses pistons on peut utiliser une méthode rapide comme dans l’exemple de l’annexe 4. Nous calculons d’abord la surface du piston commun des 500 cylindres en partant de la surface occupée par un piston ayant un diamètre de 0,155 cm. Le cercle du piston étant inscrit dans un carré dont le côté est le double de son diamètre, les 500 cylindres occupent 500 fois ce carré. La surface de chaque carré est de 0,0961cm², celle de 500 carrés de 48,05cm². Nous calculons ensuite le diamètre d’un cercle de 48,05cm², qui est de 7,82 cm, et nous le comparons à celui d’ un litre d’eau contenu dans un seul cylindre de 106 cm de hauteur, qui est de 3,46 cm pour une aire de 9,4339 cm2. Nous constatons alors que le diamètre du piston a augmenté de 2,26 fois et que le volume occupé par les cylindres a progressé 5,09 fois pour la même hauteur de 106 cm.

La principale limite à la multiplication des cylindres est technologique. Il faut trouver ou inventer des tubes plus fins pouvant contenir un mini piston. L‘autre limite, théorique, est la tension superficielle de l’eau qui, étant presque aussi élevée que celle du mercure, ne devrait pas poser de problème dans l’immédiat. Il existe déjà sur le marché des tubes inox de diamètre intérieur de 0,30 mm permettant de réaliser des cylindres contenant 300 mm³ d’eau ou 0,3 cm³ .

Compresseur bicorps ( )

L’eau en se solidifiant cède à l’extérieur une énergie mécanique de 19,78 kJ/kg. Il s’agit d’une variation de son énergie interne qui provient de l’organisation rigide et lente de ses molécules qui prennent plus de place à l’état solide qu’à l’état liquide. Sa fusion nécessite une apport équivalent de 19,78 kJ/kg. La solidification est un processus irréversible avec transfert d'énergie par mode travail. Théoriquement, de l'entropie étant créée dans le système , pour maintenir une entropie constante, de l'énergie est retirée du transfert thermique pendant le processus. Dans la fusion le système semble rester à entropie constante mais demande le même apport énergétique, sans rien céder à l’extérieur. Tout se passe comme si l’eau gagnait à la fusion ce qu’elle a perdu à la solidification.

En pratique, pour le calcul du rendement du compresseur à glace les deux changements d’état constituent une seule phase qui est obtenue en fournissant à l’eau 668 kilojoules par litre (334 pour son enthalpie de solidification + 334 pour son enthalpie de fusion).

L’eau à chaque changement d’état va consommer 19,78 kJ/kg et conserver le reste (314,22 kJ/kg) tant qu’elle se maintiendra dans cet état à la température de 0°C. Avec un compresseur monocorps toute l’énergie conservée à chaque changement d’état est perdue à l’état suivant. L’énergie froide qui a produit le travail est entièrement échangée avec de l’énergie chaude qui ne produit rien mais permet de renouveler ce travail. Cette énergie chaude est ensuite entièrement échangée contre de l’énergie froide. Le rendement du compresseur mono corps (énergie fournie sur énergie délivrée) est de 2,98% (19,78 / 664). Le compresseur bicorps va produire 2 phases décalées dans 2 corps séparés dont les cuves d’air communiquent entre elles après chaque solidification de l’un ou l’autre corps . Chaque cuve gagne ainsi la moitié de l’énergie conservé par l’autre (314,22 kJ/kg /2). Le système bicorps réduit donc déjà l’énergie fournie de 314,22 kJ par litre et son plus petit rendement est alors de 5,53% (19,78/ 668 – 314,22). Nous allons voir dans le détail comment il multiplie par plus de 250 % ce premier résultat.

La ci-après schématise le système thermodynamique du compresseur bicorps et les gains d’efficacité complémentaires dont il bénéficie.

Au stade 1, dès que la solidification du corps A a compressé le gaz, le directeur de commande numérique (DCN), qui n’apparaît pas sur le schéma, averti par un capteur de pression a aussitôt ouvert les 4 vannes de communication d’air ( 2 fois 2 vannes pour 2 tuyaux) entre les 2 corps. en adaptant leurs débits à leurs quantités de chaleur respectives pour fournir un apport homogène. L’air du corps B chaud et dilaté s’est engouffré dans la cuve du corps A.
Au stade 2 les pressions et les températures des cuves se sont d’abord équilibrées. Aussitôt Le DCN, averti par un capteur de température, a coupé toute communication entre les deux corps qui évoluent ensuite en sens opposés. La glace du corps A fond et le corps B se refroidit. La moitié du chemin a été effectué et 47 % de l’énergie retenue ont été récupérés. Les 53% manquants sont fournis par des boîtes rouge et bleu communes (2 boites seulement sont représentées sur le dessin pour toutes les étapes). Les échanges thermiques entre l’eau des cylindres et l’air de leurs cuves se font par induction. La masse d’air des deux corps est constante et confinée. Le corps B dans cet exemple absorbe une partie de l’énergie froide dégagée par une détente d’air comprimé. Cette détente n’est pas provoquée pour lui. Elle est le résultat incontournable d’un transfert de l’air comprimé par le corps A en phase 1 vers une unité de stockage à moindre compression que sa chambre. Cet air, dans la chambre, était à température ambiante puisque la compression avait été isotherme et sa détente produit de l’énergie froide. Si le compresseur était conçu pour comprimer directement à 100 bars et que le réservoir du système extérieur n’en supportait que 20, la décompression indispensable ferait baisser de -256°C la température de l’air comprimé par la glace. La température de l’air qui refroidirait le serpentin sera de -236 °C. Le gain énergétique réel dépend d’une part du mode d’utilisation du compresseur (s’il fournit directement de l’ énergie à un moteur pneumatique, s’il est préalablement stocké, s’il est pour une part consommé immédiatement et pour l’autre part stocké) et d’autre part du taux de décompression choisi. Les compresseurs à énergie chaude ne peuvent profiter de cet apport que pour refroidir leur air comprimé. Comme leurs rendements baissent en proportion de leur taux de compression ils sont généralement reliés à des cuves de stockage (qui leur servent aussi de régulation de la pression et de dépôts de condensat) dont la pression est juste suffisante pour les machines qu’ils alimentent. Donc l’énergie thermique froide récupérée sur la détente de transfert de l’air comprimé n’est profitable qu’au compresseur à glace. S’il récupère en moyenne 10 % de l’énergie qu’il a cédée, son rendement s’élève à 6,12% (19,78 + 1,978/ 668 – 314,22 ).
Au stade 3 c’est au tour de l’eau du corps B de produire de la glace et au tour de l’eau du corps A d’être totalement liquide.
Au stade 4 le réchauffement de l’eau, dont nous n’avions pas parlé précédemment, notamment au stade 2 pour l’autre cylindre, peut se faire sans électricité. Il peut trouver cette énergie dans l’air ambiant à 20 °C en quantité infinie qui suffira pour une compression qui peut être accessoirement accélérée avec la chaleur fatale d’un atelier ou celle d’une énergie renouvelable, si l’énergie froide équivalente lui est fournie. Avec un air froid à -20 °C et un air chaud à + 20 °C, un compresseur bicorps de 2 litres (1 par corps) contenant des cylindres de 2 cm³, peut déjà produire théoriquement 83 phases par heure, c’est à dire 1641,74 kJ ou avec une puissance constante de 0,456 kWh. Bien que cet apport constitue un énergie naturelle, elle est partagée avec tous les moteurs, négativement avec les moteurs à énergie chaude, positivement avec les moteurs à énergie froide.

Sur les 668 kJ par litre d’eau absorbés; 334 sont chauds, 334 sont froids. Le système bicorps permet de ne fournir que 157,11 de chaud et 157,11 de froid. La chaleur ambiante fait l’économie du chaud. Par ailleurs la détente rajoute 10 % à l’énergie délivrée. Le meilleur rendement du compresseur à glace bicorps fonctionnant uniquement avec l’électricité du réseau est donc de 13,85 % (19,78 + 1,978/ 157,11 en froid). En conséquence, dans la majorité des situations, le compresseur bicorps n’a pas besoin d’énergie fossile pour chauffer son eau. Il lui faut simplement trouver de l’air froid en quantité suffisante. En hiver dans de nombreuses régions, lorsque la température extérieure est négative et les intérieurs chauffés son rendement est de 100%. Dans les régions montagneuses, avec une prise d’air froid sur les sommets, la plage de rendement à 100 % est prolongée. Dans un avion en vol avec un air extérieur à - 40 °C et un air réchauffé en sortie de tuyère à +40 °C (sans diminuer la puissance de la turbine) le compresseur à glace alimente gratuitement l’aération de cabines pendant la durée du vol,. Sur un vaisseau spatial avec 150 °C côté soleil et -150 °C côté ombre, le moteur à glace fournit en permanence l’électricité et dispense l’engin de ses encombrants panneaux solaires et de leur générateur, ce qui réduit l’énergie nécessaire à son envol.

Dispositif hydraulique d’accroissement de la course du piston

(figures 7 et 8)

Le piston primaire, par l’intermédiaire du réservoir hydraulique, transmet la force de la glace au piston hydraulique glissant dans un cylindre plus étroit. Le volume du liquide hydraulique est égal au volume déplacé par le piston primaire et donc égal à la poussée volumétrique de la glace. La contenance du cylindre est celle du réservoir augmenté du volume de la partie de la tige du piston hydraulique qui, au repos, plonge dans ce réservoir et repose sur le piston primaire. Lorsque le piston est à sa hauteur maximale la partie de sa tige qui était immergée reste dans le cylindre pour qu’il ne se décentre pas et pour que le liquide hydraulique ne déborde pas dans la chambre de compression. Des segments entourent le piston à sa base. Au repos, la tête du piston hydraulique, dont l’aire est identique à celle du piston primaire, repose sur une structure rigide solidaire du cylindre primaire, du réservoir hydraulique et du cylindre du piston hydraulique. Elle est percée en haut et sur les côtés pour permettre l’entrée et la sortie d’air extérieur. Comme il n’y pas de création de vide dans

l’élévation, le piston et le liquide hydraulique redescendent par gravité à leur position initiale avec la fonte de la glace. La multiplication (ou l’allongement de la course du piston ) est le rapport du volume de la dilatation de la glace par la section intérieure du tube hydraulique. Le piston est guidé par le cylindre du moteur à glace et maintenu dans son axe par son extrémité et sa base. Il n’ y a pas d’effet de torsion, peu de vibrations, pas de chaleur et pas de chocs. S’il est parfaitement centré il lui faut uniquement résister à l’écrasement vertical qu’il subit. La porcelaine par exemple a une résistance à la compression de 500MPa contre 3 MPa pour la glace à 0°C.

L’annexe 7 présente une chambre de compression en équerre pour réduire le développement en hauteur du compresseur à glace.

Dispositif d’entraînement d’un axe( )

Pour faire tourner un axe on peut remplacer la tête du piston par une crémaillère qui va pousser sur un pignon fixe. La longueur du déplacement de la crémaillère est proportionnelle à la longueur du cylindre. Avec un cylindre de 2 mètres de long la crémaillère va se déplacer de 18 cm mais avec un cylindre court de 50 cm son déplacement ne sera que de 4,5 cm. Dans le premier cas on pourra se dispenser du dispositif complet présenté en annexe 8. Le premier pignon suffira. Avec des cylindres courts et une denture de pignon pouvant transmettre des forces importantes le dispositif complet peut être utile. Il peut multiplier plusieurs fois la course de la seconde crémaillère et le nombre de tours de son pignon. La poussée primaire de la glace, 19,78 kJ/mètre par litre d’eau est réduite en proportion de la multiplication. Les 3 engrenages en contact avec une crémaillère ont un dispositif de roue libre pour ne pas empêcher sa descente. Les deux crémaillères descendent par gravité. La crémaillère primaire est aspirée par le vide créé par la fonte de la glace.

Compresseur cellulaire(figures 10 et 11)

Contrairement au piston du compresseur électrique le piston du compresseur à glace ne va pas jusqu’au fond de sa chambre. Le volume de cette dernière augmente avec la diminution de la pression de service consignée. Par exemple pour porter à 20 bars un litre de gaz à 1atm, il faut une chambre de compression de 10 litres et de 100 litres pour une surpression à 2 bars.

Plus on réduit le volume de la chambre, plus on compresse fort et plus il est difficile de gérer la pression de sortie. Le système cellulaire, avec la même chambre, et le même volume d’eau va produire le même travail sans diminuer la production horaire. En remplaçant un seul compresseur par dix clones cellulaires plus petits mais battant séparément on va obtenir 10 fois plus de compressions horaires et donc, après chaque compression, un gaz de sortie 10 fois moins comprimé. On gagne en vitesse en réduisant la compression maximale.

Chaque compresseur modulaire dispose d’une chambre de compression amovible (voir annexe 10) adaptée à la pression de service commune. Pour augmenter la pression fournie par l’installation il faut changer toutes les chambres à la fois ou, si l’on a prévu leurs emplacements, rajouter un ou plusieurs compresseurs identiques supplémentaires. Pour la diminuer, il suffit de shunter un ou plusieurs compresseurs cellulaires. Dans tous les cas le programme informatique doit pouvoir gérer ces changements pour assurer la synchronisation des compressions. Pour gagner de la place, réduire la tuyauterie, mutualiser les sources d’énergie et les réservoirs des solutions seront trouvées par les installateurs. La disposition la plus rationnelle semble être circulaire, comme la forme des pistons et des réservoirs. Il s’agit d’inscrire des cercles dans un cercle plus grand, comme nous l’avons vu, pour gagner de la vitesse, avec la réunion de plusieurs petits cylindres sous un piston commun. Les compresseurs cellulaires, équipés ou non d’un faisceau de petits cylindres, ne peuvent pas partager un même piston, à moins d’être parfaitement synchronisés et donc de ne former qu’un seul compresseur, ce qui n’est pas ici le but. Ils peuvent toutefois être placés autour d’un réservoir tampon commun. Ce réservoir, s’il est en forme de T, peut aussi les coiffer comme l’illustre l’annexe 9 qui donne l’exemple d'une installation circulaire de 4 compresseurs cellulaires bicorps. Le regroupement de plusieurs compresseurs proches les uns aux autres peut poser un problème d’accès aux cylindres. L’annexe 10 propose une méthode par dessous qui nécessite des pieds dont l’écartement permet le passage d’un transpalette. Les cylindres seront le plus court possible pour ces interventions de dessous mais aussi pour réduire la hauteur totale de l’installation.

Compresseur traversant pour stockage massif d'air comprimé CAES(figure 12)

Ce dispositif est une application de la possibilité, avec un compresseur à glace, de comprimer directement l’air d’un réservoir (comme on gonfle un pneu). Cette possibilité est due à la température de l’air comprimé produit qui est à l’ambiante. Le dispositif réduit les pertes de transfert de l’air comprimé et permet d’atteindre des pressions élevées dans de gros volumes de stockage . Le compresseur traversant présenté dans l’annexe 11 est plus particulièrement destiné aux producteurs d’électricité qui stockent l’énergie électrique selon le mode « CAES » ( Compressed Air Energy Storage). Puisque qu’une très forte compression (avec le compresseur à glace seulement) n’entraîne aucun surcoût et peut s’obtenir en une seule phase, il est possible de remplir très rapidement un grand réservoir à la pression désirée. Un compresseur bicorps contenant 3,775 m³ d’eau peut produire 100 000 m³ d’air comprimé à 6 bars en une heure directement dans des cuves ou une cavité naturelle.

Détendeur-compresseur

Le détendeur-compresseur est un dispositif de production simultanée d’air froid et d’air chaud à partir d’un réservoir d’air comprimé, caractérisé en ce qu’il utilise la détente de l’air comprimé dans un cylindre pour produire de l’air froid et réchauffer simultanément par compression de l’air extérieur à 1 atmosphère au moyen d’un piston.

Le détendeur-compresseur est destiné d’une part à la mise au point, au réglage et à l‘entretien du compresseur et du moteur à glace, d’autre part à fournir un petit complément d’équilibrage en froid à des appareils utilisant des énergies gratuites, le chaud pouvant être produit avec un rendement de 100%, le froid, au mieux, avec un rendement de 50%. Pour ceux qui fonctionnent à l’électricité, bien que la détente et la compression adiabatiques du dispositif n’occasionnent en principe aucune perte d’énergie et que le compresseur à glace peut récupérer intégralement le fruit de son travail, ce n’est pas a priori une opération rentable que de l’utiliser pour faire fonctionner la machine à glace qui, elle, n’a pas un rendement de 100%.

L’air froid sort à la même pression que l’air chaud, son volume est légèrement supérieur ( 6/11 contre 5/11) et il a surtout subi une plus grande variation de température. L’air extérieur voit sa température doubler tandis que l’air prélevé dans le réservoir subit une baisse de température de 6 fois sa température initiale. Si l’air extérieur et l’air comprimé du réservoir sont à 20 °C, l’air extérieur ressort à + 40°C et celui du réservoir à – 100 °C. Ces résultats mathématiques sont des estimations mais donnent une idée de l’efficacité du détendeur-compresseur. Tels quels, ils laissent espérer une création d’énergie dans les 20 °C supplémentaires de l’air ambiant. Il faudrait donc dire qu’il s’agit d’une petite baisse d’entropie du système de détente qui doit être compensée d’un certaine manière.

Dans l’exemple présenté en figure 13 l’air chaud et l’air froid sortent à 2 bars et l’air prélevé dans le réservoir est à 12 bars. La pression d’entrée de 12 bars est garantie par un régulateur pneumatique, la quantité d’air froid définie par l’utilisation d’un sas et celle de l’air ambiant par sa captation dans un cylindre.

A stade 1 et 2 de l’admission et du cloisonnement, le réservoir contient de l’air comprimé à plus de 12 bars. On suppose que sa température est celle de l’air ambiant. Il communique avec le détendeur-compresseur par un sas. Lorsque la vanne normalement fermée s’ouvre, l’air comprimé, en proportion de son volume, se détend très peu dans le sas (et sa température ne baisse pas de façon significative). Un régulateur pneumatique fixe cette pression à 12 bars. Un volume d’air (V1) à la pression de 12 bars (P1) et à température considérée comme ambiante (T1= 293.15 K) est confiné dans le sas. Au-dessus du sas est vissé à la verticale un cylindre dans lequel glisse un piston libre. Les deux sont adiabatiques et ne permettent aucun échange de chaleur. Le cylindre (sans compter le piston) a un volume 10 fois plus grand que celui du sas (V2 =10 V1),. Il contient de l’air ambiant confiné à la pression atmosphérique (P2 = 1 bar). Les 5 électrovannes du détendeur-compresseur sont automatisées. L’utilisateur a le choix entre plusieurs fréquences de détente.

Au stade 3 de la détente- compression, la vanne entre le cylindre et le sas s’ouvre. L’air comprimé en se détendant brusquement pousse le piston dans le cylindre en comprimant l’air ambiant confiné dans le volume V2. L’air comprimé à 12 bars se détend dans le cylindre jusqu’à ce que la pression qu’il exerce sur l’air ambiant lui résiste. L’ équilibre des pressions s’établit à 2 bars à 6/11ème du bas du cylindre et du sas communicants, avec, en bas, 6 volumes (6 cl) d’air froid à -100°C et en haut 5 volumes (5 cl) d’air chaud comprimés à + 40 °C.

Au stade 4 du refoulement, la vanne de sortie anti-retour de l’air froid s’ouvre en premier. L’air est dirigée par un flexible à raccord rapide vers le réservoir d’échange commun aux deux corps de l’appareil à glace. Il se détend à nouveau et se refroidit en proportion. Sa pression baisse et cette fois c’est l’air chaud à 2 bars qui le pousse vers la sortie jusqu’au dernier millilitre. Le piston a suivi et aidé avant de revenir à son point de départ.

Au stade 5 de l’échappement, reste l’air chaud désormais à 1 bar et 20 °C qui n’a plus d’utilité (mais que l’on pourrait conserver si l’enceinte conduisait de la chaleur). On peut donc simplifier le compresseur-détendeur en considérant que l’air ambiant ne sert que d’amortisseur de détente. On peut ainsi gagner les 2 électrovannes d’entrée et de sortie de l’air extérieur.

La production de froid par détente adiabatique serait sans doute plus simple sans piston avec de l’air comprimé à 12 bars à 20 °C, détendu directement de 6 bars dans l’appareil à glace. Le dispositif présente l’avantage d’être silencieux et de découper en séquences la recharge de froid. Ce séquençage est utile pour régler l’appareil et contrôler l’augmentation de la pression dans le réservoir d’échange thermique froid de l’appareil à glace bicorps pour ne pas créer une dissymétrie pénalisante avec l’échangeur par air chaud. Le compresseur-détendeur réduit aussi la perte résiduelle dans les tuyaux en fin de détente grâce au piston à contre-effet qui chasse tout l’air refroidi dans le réservoir, lequel est également refoulé par l’effet de la pesanteur sur le piston . Enfin, avec un compresseur à glace et des énergies renouvelables il met à la portée du plus grand nombre la production gratuite et silencieuse d’air cryogénisé.

Un second dispositif utilisant la détente de l’ait comprimé est présenté Il sert à recharger la batterie des accessoires et de l’ordinateur d’une machine non reliée au réseau électrique. L’air à température négative, généralement moins abondant que l’air à plus de 0°C, est récupéré en sortie de cœur après avoir fait tourner la turbine.

Générateur d’électricité gratuite avec des températures extérieures négatives(figure 15)

Contrairement au compresseur à glace dont les concurrents électriques et thermiques sont affligés d’une inefficacité structurelle, le moteur à glace fonctionnant exclusivement à l’électricité ne peut pas atteindre les rendements des moteurs consommant directement ou indirectement de l’énergie fossile. En revanche il peut produire gratuitement de l’électricité, sous certaines conditions de température. Le rechargement de la batterie qui alimente ses auxiliaires et son système de démarrage, tous deux issus de la décompression de quelques litres d’air hautement comprimé provenant de son réservoir, décrits précédemment, le rendent totalement autonome. Le générateur présenté ci-dessous est composé de 4 compresseurs bicorps en ligne contenant 3300 cylindres de 0,3 cm³ par litre d’eau et 8 litres d’eau en tout.

Sa puissance nominale est de 31 kWh avec un écart de température de 60 °C (-30°C↔+ 30°C). L’encombrement au sol hors tout (cuves comprises) du modèle présenté est d’environ 1 mètre de long sur 0,125 m de large et sa hauteur, crémaillère comprise, est inférieure à 3 mètres. Un modèle moins haut peut-être réalisé aux dépens de sa surface au sol. Il peut être installé en extérieur (sous abri) ou à l’intérieur.

Avec 80 m³ d’eau et un encombrement en proportion, ce générateur, avec la même configuration et des sources d’énergies gratuites suffisantes, peut produire 20 mégawatts-heures avec un simple écart de température de 40°C (- 20°C↔+20°C°). Il peut donc, pour un producteur d’électricité, répondre localement aux pics de consommation hivernaux des régions les plus froides, notamment s’il est jumelé à une centrale thermique dont la chaleur fatale alimentera une tour cryogénique.

Ayant les mêmes sources d’énergie les pistons fonctionnent ensemble par 4 et le générateur bat deux fois par phase. Chaque piston est surmonté d’une crémaillère qui s’engage dans les dents d’un pignon dès que sa glace s’est solidifiée. La longueur de la course du piston est rallongée par un système hydraulique ( ) pour que sa crémaillère puisse entraîner le pignon sur un tour complet. Il peut être équipé du dispositif d’entraînement d’un axe à double crémaillère ( ) pour lui faire accomplir plusieurs tours. Lorsque la glace est fondue la crémaillère redescend par gravité et se désolidarise du système d’engrenage. Le moteur dispose des mêmes automatismes que le compresseur bicorps. La transformation de la force mécanique du moteur en électricité est assurée par un multiplicateur analogue à celui qui équipe les éoliennes et qui permet de faire tourner le rotor à grande vitesse malgré la lenteur du mouvement imprimé par la glace.

Son fonctionnement optimal peut être obtenu dans toutes les situations où coexistent simultanément deux sources élevées de température opposées. Lorsque les quantités de chaleur naturelle ou fatale sont déséquilibrées le système bicorps exploite au maximum la source la plus faible et au minimum la source la plus forte. Le système monocorps ferait perdre une demi phase et la moitié de l’énergie produite.

La vitesse du générateur dépend donc de l’énergie la moins abondante. Néanmoins deux sources de température chevauchant 0°C suffisent à le faire fonctionner. Le générateur d’électricité présenté peut tourner fréquemment dans les pays dont la température annuelle moyenne est négative. tels que le la Mongolie (−0,70°C), la Russie (−5,10 °C) ou le Canada (−5,35 °C) et certaines régions montagneuses , sans oublier les stations d’études scientifiques de l’Antarctique ou de l’Arctique. Il doit pour cela être adossé à une habitation dont la température intérieure est positive, ne serait-ce que par la chaleur animale ou un feu de cheminée. Il sera particulièrement précieux dans les régions reculées qui ne sont pas desservies en électricité. Dans les régions dont la température moyenne est négative qu’en hiver [ex : Norvège -6,8 °C) et Suède (-10 °C au centre-nord, à -15 °C dans l'extrême-nord)], ainsi que dans les stations de ski, ce générateur peut venir en relais d’une pompe à chaleur devenue inefficace et dont la productivité, au contraire de celle du moteur à glace, diminue avec l’accroissement de l’écart de température. Dans les régions qui connaissent des journées froides en dessous de - 4°C il pourra être utilisé ponctuellement sans aucun apport d’énergie payante ou avec une facture d’électricité allégée.

Claims

Dispositif pour fournir une énergie mécanique par solidification de l’eau caractérisé en ce qu’il comporte un cylindre contenant de l’eau distillée et fermé par un piston mobile apte à se déplacer le long du cylindre lorsque l’eau se solidifie.
Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu’il comporte
une cuve isolée (2) entourant le cylindre comportant :
- une entrée d’air froid (5) et une sortie d’air froid (6) provenant d’un refroidisseur (7) permettant de refroidir la cuve et de transformer l’eau liquide en glace ;
- une entrée d’air chaud (15) et une sortie d’air chaud (16) permettant de réchauffer la cuve et de transformer l’eau solide en eau liquide ;
- un capteur de pression (4) apte à déterminer l’état de l’eau et à commander le cycle de transformation de l’eau.
Système comportant une pluralité de dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le piston mobile est poussé dans son cylindre non pas par la glace d’un cylindre de même section mais par celle de plusieurs petits cylindres fermés par de petits pistons qui lui en transmettent la force, caractérisé en ce que les petits pistons sont vissés sur un plateau commun et ne touchent pas le fond de la cuve.
Système selon la revendication 4 caractérisé en ce l’énergie mécanique provient de 2 cylindres placés côte à côte fonctionnant en alternance et dont les cuves communiquent après chaque solidification de l’un ou l’autre cylindre au moyen de 2 vannes automatiques .
Système selon la revendication 3 ou 4 caractérisé en ce qu’il comporte un dispositif hydraulique composé d’un second cylindre situé au-dessus du piston commun et permettant d’allonger la course d’un second piston associé au second cylindre.
Système d’entraînement d’un axe par pignon crémaillère selon les revendications 3 à 5 caractérisé en ce qu’il comporte une double crémaillère qui rallonge le mouvement linéaire de départ en association avec le système précédent.
Système selon les revendications 3 à 6 comportant plusieurs cylindres caractérisés en ce que leurs pistons sont coiffés par une crémaillère actionnant alternativement les pignons de l’axe d’un générateur électrique et se désaccouplant avec la fusion de leur eau.