WO2006069423A1

WO2006069423A1 - Thermoturbine

Info

Publication number: WO2006069423A1
Application number: PCT/BE2005/000192
Authority: WO
Inventors: Jean-Marie Schatt
Original assignee: Jean-Marie Schatt
Priority date: 2004-12-30
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2006-07-06

Abstract

L'invention concerne un dispositif pour générer de l'énergie a partir d'une source de chaleur. Le dispositif comprend un arrangement en forme de roue apte à entrer en rotation, comprenant au moins deux chambres (1) comprenant chacune un gaz (4) apte à se dilater et à se contracter sous l'effet d'une différence de température résultant de la rotation de l'arrangement couplé à la source de chaleur. Le gaz (4) de chaque chambre (1) y est emprisonné et est en contact avec une masse liquide (3) communiquant avec toutes chambres (1) . La dilatation et la contraction du gaz (4) provoque un couple de rotation du au déplacement partiel de ladite masse liquide (3) . Le plan de rotation des chambres est incliné par rapport à la verticale.

Description

Thermoturbine

La présente invention concerne un dispositif apte à être utilisé comme moteur à source de chaleur externe pouvant donc servir de thermoturbine, en particulier en valorisant et récupérant 1 'énergie de toute source de chaleur disponible. Il peut s'agir par exemple de la chaleur produite par combustion de déchets ou par des procédés primaires de production d'énergie, ou encore par l'énergie solaire -thermique .

Le principe de fonctionnement de la thermoturbine selon l'invention est nouveau. Il s'agit en effet d'un moteur à dilatation de gaz présentant de nombreux avantages par rapport à l'art antérieur, avantages qui seront ci-après explicités .

La thermoturbine selon l'invention est constituée d'un ensemble de chambres ou cylindres, au minimum deux, de préférence au moins quatre. Ces chambres ou cylindres contiennent un élément sous forme liquide et un élément sous forme gazeuse . Ces chambres sont reliées l'une à l'autre par des moyens de connexion, par exemple des tuyaux, au niveau de leurs parties inférieures. Les chambres sont de préférence disposées le long d'une circonférence, par exemple en formant une roue. La partie basse desdites chambres ou cylindres est donc reliée à une connexion hydraulique commune. Cette connexion commune peut parcourir ladite circonférence et ainsi former une roue sous la forme d'une connexion annulaire. Elle peut aussi relier les chambres de manière différente par exemple par des conduites disposées en rayons émanant du centre de 1 'arrangement .

Par chambre on entend toute enceinte de forme quelconque. II peut s'agir d'une chambre de section circulaire comportant des parties de différents diamètres, p.e. sous la forme d'une colonne surmontée d'un cylindre plus large.

L'arrangement est disposé de manière à ce qu'il soit libre en rotation et apte à entraîner un moyeu ou élément équivalent passant par son centre, par exemple le centre de ladite circonférence et/ou le centre de gravité. Ce moyeu est susceptible d'entraîner un appareil quelconque, en particulier un générateur d'électricité.

Selon l'arrangement de l'invention, l'ensemble est donc rendu mécaniquement solidaire. Il peut tourner librement grâce à un moyeu central qui sera, selon une caractéristique importante de l'invention, fixé de telle sorte que le plan de rotation soit incliné par rapport à la verticale définie par l'attraction terrestre. De préférence l'inclinaison est de 45° mais peut varier de 10 à 80°, de préférence de 30 à 60° par rapport à la verticale.

L'ensemble des composants reliés entre eux est rigoureusement étanche.

La partie haute de chaque chambre ou "cylindre" comprend un volume contenant un élément sous forme gazeuse. Le dispositif est arrangé de telle sorte que suite à une influence extérieure on peut provoquer alternativement un réchauffement et un refroidissement rapide du gaz contenu dans ces cylindres. Cet effet est obtenu par la rotation de l'arrangement, de préférence conçu sous la forme d'une roue, dans un milieu comprenant une source froide et une source chaude, de préférence diamétralement opposée par rapport à l'arrangement et influençant ainsi une partie ou une autre du dispositif .

Les parties supérieures des chambres sont remplies d'un gaz, éventuellement sous pression, tel que l'air, l'azote, le fréon, le butane, l'hydrogène ou l'hélium tandis que le bas des cylindres et les conduites de connexion, par exemple une conduite annulaire, sont remplis d'un liquide ( par exemple eau, huile, butane, fréon , mercure) . De préférence les cylindres sont remplis initialement de moitié par ledit liquide.

On notera que, la position inclinée, maintient la séparation et l'équilibre constant des éléments sous forme liquide et sous forme gazeuse au sein même des composants hydrauliques de la roue et ce à l'état de repos ou en mouvement. L'inclinaison et le niveau de remplissage sont choisis afin qu'à aucun moment les volumes gazeux de deux cylindres différents n'entrent en contact. Dans chaque cylindre ou chambre, le gaz y est emprisonné.

Par apport d'énergie thermique à une chambre contenant le gaz sous pression on provoque une montée en pression du gaz qui agit sur le liquide de la partie inférieure du cylindre en le repoussant dans le reste du système. On obtient ainsi, suite à une modification de l'équilibre des pressions internes au système une descente de la colonne de liquide par rapport à son niveau initial dans la partie chaude et une remontée des niveaux de liquide des autres colonnes de la partie plus froide, ainsi qu'une légère remontée en pression des gaz emprisonnés dans les autres cylindres.

A l'opposé lorsque la même chambre qui a été chauffée est refroidie lors de son entrée dans la zone froide, le gaz sous pression se contracte et provoque une remontée du liquide par rapport au niveau initial.

Ces montées et descentes asymétriques des liquides dans les cylindres provoquent des déplacements de masse entre les différentes chambres.

Ces déplacements de masse créent par l'effet de gravité un couple de rotation. Ce couple sera entretenu par réchauffement et refroidissement successif des chambres dus à la rotation. Le sens de rotation peut être déterminé par le mode et l'endroit de l'action thermique.

L'énergie mécanique rotative ainsi obtenue peut être avantageusement utilisée dans les domaines les plus variés, en particulier tout système de récupération d¹ énergie.

On notera que deux types d'action thermique de chauffe peuvent être envisagés:

- action directe sur la paroi des chambres contenant les gaz. Dans ce cas on chauffe le dispositif, c'est à dire les chambres, situées dans sa moitié inférieure et on refroidit les chambres dans la moitié haute. Le rendement effectif peut cependant être limité suite à la perte due à la masse thermique des parois des cylindres chauffés et refroidis,

- soit par "effet Stirling" en déplaçant le gaz alternativement vers un côté chaud et un côté froid au sein même d'une chambre configurée dans ce but. La pression du gaz varie rapidement grâce à un élément « déplaçeur » par exemple sous la forme d'un "piston déplaçeur" de gaz, qu'il soit libre ou assisté. Dans ce cas une partie de la chambre est chauffée en permanence et une autre partie est refroidie en permanence, le gaz se déplaçant d'une partie à l'autre. Selon un mode de réalisation le basculement du "piston déplaçeur", et le déplacement concomitant du gaz, se fait par gravité au point mort haut et au point mort bas. Comme dans les moteurs Stirling, on peut prévoir un régénérateur sur le parcours du gaz afin d'augmenter sensiblement le rendement thermodynamique global .

Si on veut dépasser le couple obtenu par simple gravité dans un but de miniaturisation pour utilisation sur engins, par exemple engins mobiles, on peut compléter l'installation par un système de "pistons" assistés ou activés, par exemple mécaniquement ou hydrauliquement, actionné par un système de came adéquat.

La source de chaleur peut être une source de chaleur perdue d'un circuit d'échappement d'un moteur thermique utilisé en continu, ou en provenance d'un incinérateur de traitement d'ordures ménagères, ou encore en provenance d'un laminoir de coulée continue, ou encore également en provenance d'énergie solaire thermique.

L'invention apporte un réel avantage économique, comme le démontre le calcul économique ci-après.

Pour une source de chaleur perdue de 1000 KW/H, une turbine de chaleur selon l'invention accouplée à un générateur électrique et présentant un rendement global de 10% seulement produirait 100 KW/H continu d'électricité "verte",

soit 2400 KW/H par jour a 0,1 EUR/KW/H soit 240 EUR/jour 876000 KW/H par an soit 87600 EUR/an

4380000 KW/H par 5 ans soit 438000 EUR/5 ans 8760000 KWH pour 10 années soit 876000 EUR/10 ans

Le coût estimé de l'installation est actuellement de 250 à 300.000 EUR avec un coût d'entretien de 15.000 EUR/an.

On notera qu'en appliquant l'effet Stirling on peut atteindre un rendement de 40% ce qui améliore sensiblement l'espoir de rentabilité économique d'un moteur selon l'invention. L'invention sera mieux comprise à l'examen des schémas annexés dans lesquels

- la fig. 1 représente schématiquement en perspective un dispositif selon une forme de réalisation simplifiée de

1 ' invention,

- la fig. 2 représente une autre vue du dispositif de la fig. 1

- la fig. 3 représente schématiquement un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel l'effet Sterling est appliqué

- la fig. 4 représente le dispositif de la fig. 3 complété par l'addition d'un élément isolant en chicane séparant la paroi extérieure de chaque chambre en une partie froide et une partie chaude.

- la fig. 5 représente une autre variante de l'invention

- la fig. 6 représente un mode de réalisation incorporant un déplaçeur de gaz assisté par l'effet d'une came

- la fig. 7 illustre plus en détail une chambre de la fig. 6

- la fig. 8 représente une thermoturbine à effet Sterling tout hydraulique

La fig. 1 représente approximativement de face un schéma d'un moteur comprenant 6 chambres 1 reliées par un circuit circulaire 2 via des colonnes comportant un liquide 3 en équilibre. Les chambres contiennent un gaz 4. La source de chaleur se situe en bas et la partie froide en haut. On représente un moyeu en 5 relié solidairement au circuit circulaire d'une part (rayons 6) et à un générateur d'énergie électrique d'autre part (non illustré) . Lors du mouvement de rotation entretenu par le moteur, on comprendra que le gaz est dilaté dans le parcours AB et contracté dans le parcours BA. Par l'effet de l'équilibre des pressions exercée via la masse liquide 3, cette masse de liquide à gauche sera toujours supérieure à la masse de liquide à droite ce qui provoque un couple du à l'attraction terrestre et la rotation concomitante autour de l'arrangement, rotation qui est reprise par le moyeu pour entraîner un système mécanique ou un générateur électrique. Le sens de rotation du système dépend d'une impulsion initiale dans un sens ou dans l'autre et une fois déterminé sera entretenu par l'effet de couple susmentionné.

La fig. 2 représente le moteur de la fig. 1 vu de côté.

La fig. 3 représente de face un arrangement selon un autre mode de réalisation de l'invention. On applique en effet avantageusement le principe des moteurs Stirling en déplaçant le gaz 34 alternativement vers un côté chaud 31 et un côté froid 32 au sein même d'une chambre tubulaire 30 configurée dans ce but.

La pression du gaz varie rapidement grâce à un "piston déplaçeur" de gaz 33 , qu'il soit libre (comme illustré) ou assisté. Dans ce cas on chauffe en permanence une face et on refroidit en permanence l'autre face. Le basculement du "piston déplaçeur" 33, ici sous la forme d'une balle massive de diamètre juste inférieure au diamètre tubulaire, et le déplacement concomitant du gaz d'un côté à l'autre, se fait en point mort haut et au point mort bas. Un passage 37 peut être prévu à cet égard. On peut obtenir une partie froide et une partie chaude de la chambre 30 en isolant une partie de la paroi extérieure de celle-ci par rapport à la source chaude. La source chaude sera avantageusement présente sous la forme d'un flux gazeux ou d'un rayonnement tel le rayonnement solaire atteignant l'arrangement selon l'invention par le haut.

On illustre également un régénérateur 35, prévu dans le passage 37, à la fonction déjà connue et de même nature que pour les moteurs Stirling, sur le parcours du gaz afin d'augmenter sensiblement le rendement thermodynamique global.

L'isolation partielle de chaque chambre peut être obtenue par application d'un produit isolant ou réfléchissant, ou par plusieurs plaques ou encore par une plaque en chicane isolante recouvrant une moitié de chaque chambre qui ne sera ainsi jamais exposée à la source de chaleur, contrairement a l'autre moitié qui le sera toujours. La fig. 4 illustre très schématiquement une telle plaque en chicane 40 adaptée à une turbine selon la Fig. 3 . La paroi de chaque chambre est séparée en deux moitiés, l'une couverte d'un côté et l'autre de l'autre côté par rapport à la source thermique.

Selon un mode de réalisation illustré à la fig. 5, les chambres 50 contenant du gaz sous pression peuvent être en contact avec des plaques 51, 52 exposées du côté chaud et du côté froid jouant le rôle d'échangeur de chaleur. Une plaque perpendiculaire 53 reliant ces deux échangeurs et jouant le rôle de récupérateur peut également être prévue. Les pistons 54 déplaçeurs du gaz sont actionnés par un système mécanique non représenté qui les déplacent vers le haut au point mort haut et vers le bas au point mort bas . On distingue également les "pistons liquides" 56 de hauteur différentes selon leur positions et le circuit hydraulique 55 communs aux pistons liquides.

La fig. 6 représente schématiquement un détail d'un dispositif selon un mode de réalisation à effet Sterling dans lequel un piston déplaçeur 60 de gaz commandé mécaniquement par un tige 61 est actionné par un système annulaire de came fixe 62 situé au dessous de la roue tournante 63. On illustre une chambre au point mort bas. Ce système déplace le piston alternativement vers le haut et vers le bas au point mort haut et au point mort bas. On distingue - 1 'échangeur-réchauffeur de gaz 64. chauffé par exemple par un jet central de gaz chaud émanant d'une cheminée ou d'un échappement de moteur thermique non illustré - 1 'échangeur récupérateur 65 de type

Sterling - l'échangeur refroidisseur 66 du gaz grâce à 1 ' air ambiant dans lequel il tourne

- le liquide formant "piston liquide" 67 qui constitue une partie du circuit hydraulique commun à toutes les chambres,

- un joint d'étanchéité d'où émane la tige reliant la came au piston déplaçeur de gaz

Le fonctionnement du système est davantage explicité comme suit :

Au point mort haut, le déplacement du piston déplaçeur 60 de gaz dans la chambre vers le haut par le système de came 62 force le gaz au dessus du piston dëplaçeur à traverser l'échangeur chaud 64. Le gaz étant déjà chaud l'échange de chaleur est minime. Le gaz traverse ensuite le régénérateur 65 qui lui a une température inférieure. Il va donc céder une partie de son énergie calorifique à cet échangeur de stockage 65. Le gaz traverse ensuite l'échangeur froid 66 et se refroidit donc à son niveau le plus bas pour rentrer à nouveau dans la chambre, mais cette fois sous le piston déplaçeur 60. Le piston 60 arrivant en haut la température moyenne du gaz emprisonné dans la chambre est à ce moment la plus basse, donc la pression interne également ce qui provoque la remontée du piston liquide 67 associé à la chambre. La chambre devient donc plus lourde et fait "descendre" la roue inclinée par effet de gravité.

Au point mort bas le déplacement du piston déplaçeur de gaz vers le bas par le système de came force la gaz au dessous du piston à traverser 1 ' échangeur froid. Ce gaz étant froid rien ne se passe. Le gaz traverse ensuite le régénérateur qui présente une température supérieure. Il va donc récupérer de l'énergie stockée en se réchauffant. II traverse ensuite l'échangeur chaud où il se réchauffe à son niveau le plus haut pour rentrer dans la chambre au dessus du piston déplaçeur. Le piston arrivant en bas la température moyenne du gaz est au plus haut et la pression interne au plus haut ce qui provoque la descente du piston liquide en repoussant le liquide via le circuit hydraulique vers les autres chambre. La chambre devient ainsi plus légère pour effectuer par rotation son mouvement ascendant vers le point mort haut .

La fig. 7 représente une thermoturbine à effet Sterling tout hydraulique. Contrairement au concept à piston déplaçeur de gaz commandé mécaniquement, selon ce mode de réalisation le déplacement du gaz se fait par un déplacement par gravité du liquide au sein même des "pistons liquides" qui ont été montés par deux en parallèle sur le circuit hydraulique commun à tous les pistons liquides. Ces pistons liquide doubles constituent des chambres à deux cylindres dont les parties supérieures contiennent le gaz sous pression et communiquent entre elles par l'intermédiaire d'un circuit d'échangeurs tels que représentés dans la fig. 7. L'avantage de ce mode de réalisation est qu'il n'y a pas de pièces en mouvement à l'intérieur du système ce qui limite pannes et usures.

Au point mort haut, les niveaux de liquide 77 dans les pistons doubles 70a, 70b sont identiques puisqu'ils sont au même niveau par rapport à l'horizontale. Dès que l'on déplace ce point d'équilibre, le niveau d'un des deux pistons descend par rapport à l'autre et on observe donc un déplacement par gravité du liquide contenu dans le cylindre le plus haut vers le cylindre le plus bas et ce via le circuit hydraulique commun inférieur. Ce déplacement de liquide a pour effet également de déplacer le gaz en partie supérieure en sens inverse c'est à dire depuis le cylindre le plus bas vers le cylindre le plus haut et ce à travers le circuit des échangeurs qui les relient en partie supérieure.

Le gaz passe par l'échangeur chaud 74, comme ce gaz est chaud, il n'y a pas d'échange de chaleur conséquent. Il traverse ensuite le regénérateur 75 qui est à une température inférieure et cède donc une partie de son énergie à cet échangeur de stockage. Il traverse ensuite l'échangeur froid 16 et se refroidit donc à son niveau de température le plus bas en entrant dans la chambre supérieure. La température moyenne du gaz emprisonné dans les chambres est à ce moment la plus basse. En conséquence la pression interne est également basse et entraîne la remontée de ce côté du dispositif du niveau moyen des pistons liquides montés en parallèle. Un couple de rotation est créé et les chambres descendent en tournant.

Au passage du point mort bas des déplacements inverses se produisent. On passe par un point d'équilibre puis le niveau d'une des deux chambres remonte par rapport à l'autre et on observe donc un déplacement de liquide par gravité de la chambre la plus haute vers la chambre la plus basse via le circuit hydraulique inférieur de connexion. Ce déplacement de liquide a pour effet également de déplacer le gaz en partie supérieure en sens inverse c'est à dire depuis la chambre la plus basse vers la chambre la plus haute à travers le circuit des échangeurs qui les relient en partie supérieure. A ce stade, le gaz passe donc au travers de 1 ' échangeur froid. Comme ce gaz est froid, il n'y a pas d'échange conséquent. Le gaz traverse ensuite le générateur qui est à une température supérieure II y a donc récupération au moins partielle de l'énergie stockée du regénérateur par réchauffement du gaz . Ce dernier traverse ensuite l' échangeur chaud où il se réchauffe à son niveau de température la plus élevée pour entrer dans la chambre supérieure. La température moyenne du gaz emprisonné dans les chambres est à ce moment la plus élevée, donc la pression interne également, ce qui entraîne une descente des niveaux moyens des pistons liquides montés en parallèle. Au point mort haut le cycle recommence et ce à chaque tour de la turbine. La différence de masse moyenne entre les deux côtés de la turbine provoque le couple qui la fait tourner, ce couple étant constamment entretenu par le cycle susmentionné qui provoque la dilatation et contraction de gaz sous pression contenu dans les chambres .

A titre d'exemple non limitatif, un arrangement selon 1 ' invention en forme de roue a été obtenu en utilisant un tube de 2,5 cm de diamètre formant un circuit torique de 60 cm de diamètre relié par des rayons à un moyeu central. Six chambres de 1,5 litres sont soudées et placées verticalement sur la roue en oblique à 45° . Ces chambres sont en communication avec ledit circuit circulaire. Le liquide est de l'eau remplissant 50% du volume des chambres et le gaz est de 1 ' air .

Une source de chaleur sous la forme d'un chauffage infrarouge de 1 KW est disposé sous les chambres à 35 cm . On observe une rotation (5 tour/min.) du dispositif qui peut être entretenue indéfiniment.

En résumé, l'invention concerne un dispositif pour générer de l'énergie à partir d'une source de chaleur. Le dispositif comprend un arrangement en forme de roue apte a entrer en rotation, comprenant au moins deux chambres comprenant chacune un gaz apte à se dilater et à se contracter sous l'effet d'une différence de température résultant de la rotation de 1 ' arrangement couplé à la source de chaleur. Le gaz de chaque chambre y est emprisonné et est en contact avec une masse liquide communiquant avec toutes chambres. La dilatation et la contraction du gaz provoque un couple de rotation du au déplacement partiel de ladite masse liquide. Le plan de rotation des chambres est incliné par rapport à la verticale.

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif comprenant un arrangement apte à entrer en rotation, le dit arrangement consistant en au moins deux chambres comprenant chacune un gaz ce dernier étant apte à se dilater et à se contracter sous l'effet d'une différence de température résultant de la rotation de 1 ' arrangement dans un milieu thermiquement non homogène , le gaz étant consigné dans les dites chambres et en contact avec une masse liquide contenue dans la partie basse de 1 'arrangement, ladite masse remplissant partiellement lesdites chambres, la dilatation et la contraction du gaz provoquant un couple de rotation du au déplacement de ladite masse liquide dans ledit arrangement, le plan de rotation étant incliné par rapport à la verticale.

2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le milieu thermiquement non homogène résulte d'une source de chaleur localisée à proximité de l'arrangement.

3. Dispositif selon la revendication 1 le milieu thermiquement non homogène résulte de la présence de l'arrangement dans l'interface d'une région chaude et une région froide

4. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel le milieu therraiquement non homogène résulte d'une source de chaleur localisée ou focalisée au centre de l'arrangement.

5. Dispositif selon la revendication précédente dans lequel la source de chaleur est constitué d'un flux gazeux ou d'un rayonnement.

6. Moteur comprenant un arrangement apte à entrer en rotation, le dit arrangement consistant en au moins deux compartiments (chambres et/ou colonnes) comprenant chacune un liquide et un gaz et étant interconnectés de telle sorte que le liquide peut se déplacer d'un compartiment à l'autre, les deux compartiments étant du fait de leur déplacement par rotation autour d'un axe les séparant refroidis et réchauffés alternativement par le milieu extérieur thermiquement non homogène, le plan de rotation étant incliné par rapport à la verticale.

7. Moteur ou dispositif selon n'importe laquelle des revendications précédentes dans lequel les compartiments ou chambres, de préférence au moins au nombre de quatre, sont interconnectés par une conduite circulaire.

8. Moteur ou dispositif selon n'importe laquelle des revendications précédentes dans lequel l'inclinaison varie de 30 à 60°.

9. Moteur ou dispositif selon la revendication précédente dans lequel l'inclinaison est d' approximativement 45° .

10. Moteur ou dispositif selon n'importe laquelle des revendications précédentes caractérisé en ce que chaque compartiment ou chambre comprend une colonne liquide interconnectée aux autres colonnes, de préférence via une conduite circulaire et une chambre supérieure.

11. Moteur ou dispositif selon n'importe laquelle des revendications précédentes caractérisé en ce que chaque chambre est divisée en une partie chaude et une partie froide.

12. Moteur ou dispositif selon la revendication précédente dans lequel chaque chambre ou compartiment comprend un élément déplaçeur de gaz apte à faire déplacer le gaz de la partie froide à la partie chaude et inversement sous l'effet de la rotation dans ledit plan incliné.

13. Moteur ou dispositif selon la revendication précédente dans lequel l'élément déplaçeur de gaz agit par gravité.

14. Moteur ou dispositif selon n'importe laquelle des revendications 11 et 12 dans lequel la division en une partie froide et une partie chaude est obtenue par le recouvrement partiel d'une partie de la chambre par un élément isolant, par exemple une peinture ou une ou plusieurs plaques.

15. Moteur ou dispositif selon la revendication précédente dans lequel la plaque est une plaque en chicane recouvrant successivement une demi chambre par le haut et par le bas de 1 ' arrangement.

16. Moteur ou dispositif selon la revendication précédente dans lequel l'élément déplaçeur est un piston déplaçeur actionné par une moyen mécanique, électrique, magnétique ou hydraulique.

17. Moteur ou dispositif selon la revendication précédente dans lequel le piston déplaçeur est actionné par une came

18. Moteur ou dispositif selon n'importe laquelle des revendications précédentes comprenant plusieurs arrangements rotatifs de chambres superposés et reliés à un moyeu commun.

19. Moteur ou dispositif selon n'importe laquelle des revendications précédentes dans lequel chaque chambre est constitué d'un volume supérieur occupé par le gaz et d'un volume inférieur de plus petite dimension formant colonne ou piston liquide.