DISPOSITIF ET SYSTEMES DE RECUPERATION ET DE STOCKAGE DE

LA CHALEUR

La présente invention concerne un dispositif et des systèmes permettant le stockage de la chaleur générée par un moteur thermique, par exemple d'un engin mobile, et sa récupération pour alimenter notamment un système de chauffage.

Les moteurs thermiques utilisant des combustibles fossiles, modernes, ou de récupération (fioul, essence, gaz, éthanol, déchets, charbon) n'en transforment qu'une très faible partie en énergie mécanique. Le reste est transformé en chaleur qui doit être évacuée.

Afin de minimiser les consommations en énergie des systèmes de chauffages (domestiques, industriels, tertiaire, urbain,...), il est intéressant de récupérer et de stocker cette chaleur perdue par les moteurs d'engins mobiles en stockant le fluide de refroidissement chaud à leur sortie. On peut utiliser deux systèmes de base qui permettent le stockage de la chaleur dans une ou plusieurs réserves placées sur le circuit de refroidissement. Ils posent chacun des problèmes d'encombrement, de poids et de surconsommation ; donc des problèmes de rentabilité tels que ces systèmes ne sont pas exploités. - Le système de stockage à une seule réserve est constitué d'un réservoir entièrement étanche à deux accès ; un pour l'entrée et l'autre pour la sortie. Il est monté en série sur le circuit de refroidissement d'un moteur. L'ensemble constitue une boucle hydraulique fermée ; « moteur - pompe - réservoir - radiateur ». Il est très peu performant. L'augmentation de température du contenu de la réserve est assurée par l'arrivée d'un débit de fluide chaud en provenance du moteur qui se mélange au fluide déjà en place. Un même débit du mélange quitte la réserve pour rejoindre le moteur afin d'assurer son refroidissement. Ceci constitue l'inconvénient même de ce système. En effet, le contenu de la réserve n'a pas la garantie d'atteindre un minimum exploitable de température car le fluide chaud en sortie de moteur se mélange avec le fluide de la réserve. La température du mélange augmente lentement au fur et à mesure qu'augmente la quantité de chaleur stockée, ce qui impose un temps minimum de fonctionnement du moteur avant d'atteindre

un niveau de température du fluide stocké, exploitable dans le cadre de la récupération d'énergie via les systèmes hydrauliques de chauffage. On ne peut pas faire fonctionner inutilement un moteur pour prétexter une récupération d'énergie suffisante. Ce système ne permet pas de récupération d'énergie lors des petits trajets par exemple. Dans le cas de longs trajets, au contraire, le contenu de la réserve atteindra une température exploitable, mais le refroidissement du moteur ne sera pas assuré de manière efficace (liquide « de refroidissement » trop chaud), ce qui peut être dangereux. Un système de ce type est décrit par le document FR 2 507 752. - Le système de stockage d'énergie à plusieurs réserves permet de résoudre le problème précédent mais il pose lui aussi ses propres problèmes. Il est aussi très peu performant. Il est constitué en partie d'un circuit hydraulique ouvert, monté dans l'ordre suivant : « réserve de fluide froid à disposition du moteur - moteur et sa pompe de circuit de refroidissement - réserve de fluide chaud ». Il est peu performant, car encombrant ; il y a toujours des volumes inutiles d'air dans les réserves puisqu'une réserve se vide quand l'autre se remplit. En augmentant fortement le volume du chargement permanent, donc la taille et donc le poids du véhicule, on augmente fortement sa consommation et on cause une perte de volume de chargement non exploité de ce fait.

Le dispositif selon l'invention permet de réduire les inconvénients cités ci-dessus. Il permet de récupérer une partie importante de la chaleur rejetée et perdue par les moteurs thermiques qui équipent des engins mobiles en stockant leur fluide de refroidissement en sortie du moteur lorsqu'il est chargé de chaleur, puis il permet de céder cette chaleur à des systèmes extérieurs à l'engin en les irrigant avec ce fluide lorsqu'on le déstocke des réserves de l'engin et ce, grâce à un dispositif à encombrement très réduit, capable de garder le fluide qu'il stocke à la température à laquelle il le reçoit, donc, exploitable dans le cadre de la récupération d'énergie. Ce dispositif permet donc de réduire les coûts liés à la consommation en énergie des systèmes qui bénéficient de la récupération de chaleur. Ce système permet en outre d'assister, voire de remplacer le dispositif de production de chaleur lorsqu'il est monté en permanence sur un circuit hydraulique de

chauffage car il permet de mettre à disposition des émetteurs le débit de fluide chaud qu'il stocke lorsqu'une même réserve associée à un moteur thermique, utilisée comme présentée ci-dessus, lui transmet son propre volume de fluide stocké chaud. Ces résultats peuvent être atteints conformément à l'invention par un dispositif de récupération et de stockage de la chaleur selon la revendication 1 , comportant une enceinte contenant deux réserves à volumes variables et dont la variation de volume est rendue possible par le déplacement ou la déformation d'une paroi séparatrice commune. Ces deux réserves contiennent le même fluide caloporteur qui se déplace alternativement de l'une à l'autre en passant par le moteur pour la phase de récupération d'énergie et par un système de chauffage, pour la phase de restitution. Elles sont associées dans un premier temps au moteur et à un système récupérateur de chaleur dans un deuxième temps, et cela, par un jeu de connecteurs. Lorsqu'elles sont associées au moteur, la première réserve permet d'assurer le stockage en se remplissant du fluide de refroidissement du moteur lorsqu'il en sort chaud et la deuxième réserve, en se vidant, permet d'assurer simultanément l'approvisionnement en fluide au circuit de refroidissement à l'entrée du moteur à refroidir. Lorsqu'elles sont associées à un système demandeur de chaleur, la première réserve transfère son fluide et sa chaleur, stockés précédemment, vers ce système alors que la deuxième réserve se voit remplir d'un fluide à un niveau de température assez bas pour être à nouveau exploité pour un nouveau cycle de récupération d'énergie. Le volume de fluide et la masse de l'ensemble sont donc constants et donc réduits, et ce, quels que soient les états de remplissages de chacune des deux réserves.

Par ailleurs, dans le dispositif de l'invention, le refroidissement du moteur est toujours assuré, de manière efficace, par le fluide caloporteur froid. Avantageusement, un système de valves permet de contourner le dispositif lorsque la reserve de fluide froid est épuisée. Le document US 5,898,818 décrit un chauffe-eau électrique comportant deux reserves d'eau séparées par une cloison coulissante. Cependant, le fonctionnement de ce chauffe-eau est tout à fait différent de celui du dispositif de l'invention. En effet, le fluide entrant dans ce dispositif

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connu de l'art antérieur est froid, et on veut éviter de le mélanger avec une réserve préconstituée de fluide chaud. Au contraire, l'invention permet de ne pas mélanger un fluide chaud entrant avec une réserve de fluide froid. En outre, le dispositif de l'art antérieur comporte nécessairement un conduit permettant de mettre en communication directe les deux réserves ; un tel conduit n'est pas nécessaire dans le cadre de l'invention.

Des modes particuliers de réalisation de l'invention font l'objet des revendications dépendantes 2 à 12.

Un autre objet de l'invention est un circuit de refroidissement d'un moteur thermique comportant un échangeur de type convecteur ou radiateur, un premier conduit pour amener un fluide caloporteur chaud sortant dudit moteur thermique vers ledit radiateur, et un deuxième conduit pour amener ce fluide caloporteur, refroidit par le radiateur, vers le moteur thermique, caractérisé en ce qu'un dispositif de récupération et de stockage de la chaleur tel que décrit ci-dessus est connecté de manière amovible audit deuxième conduit.

Encore un autre objet de l'invention est un circuit hydraulique de chauffage caractérisé en ce qu'il est relié à un dispositif de récupération et de stockage de la chaleur, dont la première zone de réserve est utilisée comme réserve de fluide caloporteur chaud, connectée au circuit hydraulique de manière à ce que ledit fluide soit amené vers des émetteurs de chaleur et la deuxième zone de réserve est connectée de manière à recevoir en entrée un fluide caloporteur refroidit après passage par lesdits émetteurs.

Les dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif, illustrent l'invention :

La figure 1 représente en coupe, le dispositif de base de l'invention en début de phase de captage avec séparation des réserves par cloison mobile simple.

La figure 2 représente en coupe, une variante de l'invention avec séparation des réserves par double membrane déformable enfermant une réserve de gaz.

La figure 3 représente en coupe, la même variante de l'invention équipée d'un dispositif de régulation de température minimale du

fluide chaud stocké avec échangeur récupérateur de chaleur.

La figure 4 représente en coupe, Ie dispositif de base de l'invention connecté à un moteur pour la phase de stockage.

La figure 5 représente en coupe, le dispositif de base de l'invention connecté à un système demandeur de chaleur pour la phase de restitution d'énergie.

La figure 6 représente en coupe, le dispositif de base de l'invention connecté en permanence à un système demandeur de chaleur en remplacement du dispositif de production de chaleur, utilisé avec un dispositif du même type destiné à la récupération de chaleur sur un moteur thermique.

La figure 7 représente en coupe, le dispositif de base de l'invention équipé d'un cloisonnage des réserves pour maîtriser les températures de stockage et pour faciliter le transport.

La figure 8 représente en coupe, le dispositif de base de l'invention équipé d'un échangeur de récupération d'énergie destiné à capter de la chaleur perdue par les gaz d'échappement.

La figure 9 représente en coupe, le dispositif de base de l'invention équipé d'une vanne hydraulique de régulation de pressions différentielles ou « soupape de décharge » pour permettre un fonctionnement normal du circuit de refroidissement en contournant les réserves lorsque celle de stockage est pleine.

La figure 10 représente en coupe, le dispositif de base de l'invention équipé d'une double prise supplémentaire de connexions pour permettre les phases de remplissage ou de vidange sans être obligé de démonter ledit dispositif.

La figure 11 représente, en coupe, la structure d'un dispositif selon un mode de réalisation alternatif de l'invention.

En référence à ces dessins, le dispositif comporte une enceinte (1) composée de deux réserves (3) et (4) connectables à un moteur (18) ou à un système de chauffage (20), avec émetteur-convecteur par exemple (21). Les connexions se font par des canalisations (7) et (8) et des raccords (9). L'ensemble est enveloppé dans une isolation thermique (10) et est maintenu et porté par une coque (12) qui permet l'arrimage aux châssis des moteurs et des

systèmes de chauffage et qui permet la manipulation du système lors de ses différentes associations et phases de travail. La quantité de chaleur stockée peut être mesurée puis indiquée par un dispositif (11) de type « bloc de lecture de température, de régulation, d'affichage et de renvoi d'informations ». Dans la forme de réalisation selon figure 1 , les deux réserves sont séparées par une cloison mobile étanche (2) qui permet un remplissage et une vidange simultanés des deux réserves sans que le volume total ne change. L'étanchéité est assurée par joint(s) ou membrane(s) (13). L'enceinte comporte un dispositif de sécurité de type « vase d'expansion » avec paroi déformable (6) et réserve de gaz (5) qui permet à l'ensemble de supporter les contraintes mécaniques causées par les dilatations thermiques successives du fluide de refroidissement stocké dans les réserves.

Dans la forme de réalisation selon figure 2, les deux réserves sont séparées par deux membranes mobiles étanches (14) qui renferment un gaz (15) qui permet à l'ensemble de supporter les contraintes mécaniques causées par les dilatations thermiques successives du fluide de refroidissement contenu et qui assure l'isolation thermique entre les deux réserves.

Dans la forme de réalisation selon figure 3, les réserves sont associées à un dispositif (16) de régulation de température minimum du fluide de stockage avec échangeur de chaleur (17). Ce dispositif (16) permet d'assurer le maintien de la température dans la durée et de ne retenir que le fluide de refroidissement suffisamment chaud pour le stockage en réserve (3).

Lors des arrêts courts du moteur et de l'engin, les températures dudit fluide de refroidissement chutent dans le moteur, le radiateur et dans les canalisations.

Ce fluide n'est alors plus intéressant à stocker. Il doit retourner au moteur directement par le chemin de contournement (8 - 16 - 7) jusqu'à ce qu'il soit détecté comme étant assez chaud pour être exploité.

L'échangeur de chaleur (17) n'est pas indispensable, mais son utilisation est avantageuse, car il permet de remettre à température la plus haute (température de sortie du moteur) la quantité de fluide déjà stockée lors d'une autre utilisation, et dont la température aurait chuté lors d'arrêts plus ou moins longs du moteur. Le débit d'irrigation de l'échangeur (17), utilisé pour

réchauffer la température de la réserve, voit sa propre température chuter tant qu'il cède de la chaleur à ladite réserve. Il est alors détourné par le dispositif de régulation (16) jusqu'à ce que sa température soit détectée comme étant à nouveau exploitable pour le stockage. Lorsque la réserve retrouve le niveau de température le plus haut, le débit d'irrigation de l'échangeur n'échange plus de chaleur avec elle, il en ressort alors assez chaud pour être stocké.

Dans le mode d'exploitation selon figure 4, l'ensemble est connecté au circuit de refroidissement d'un moteur (18) pendant la phase de stockage de fluide chaud. Le circuit de refroidissement (19) comporte un radiateur (190), un premier conduit composé de deux tronçons (191a et 191b) pour amener un fluide caloporteur chaud sortant dudit moteur thermique vers ledit radiateur, et un deuxième conduit (192) pour amener ce fluide caloporteur, refroidit par le radiateur, vers le moteur thermique. Le dispositif de récupération et de stockage de la chaleur de l'invention est connecté de manière amovible audit premier conduit. Une vanne de contoumement (193) est prévue, afin de permettre le fonctionnement du circuit de refroidissement en l'absence du dispositif de récupération de la chaleur ou lorsque la première zone de stockage de ce dernier est pleine.

On remarquera que le système à double réserve de l'invention permet, contrairement à l'art antérieur, de stocker le fluide de refroidissement chaud en sortie de moteur à la température de sortie du moteur (environ 90 ⁰ C dans la plupart des cas) et ce, quelle que soit la quantité d'énergie récupérée.

En outre, la température de fluide que le système à double réserve met à disposition du moteur pour le refroidir est la plus basse possible et permet donc son bon refroidissement en permanence et toujours au même régime de température.

Dans le mode d'exploitation selon figure 5, l'ensemble est connecté au circuit hydraulique (22) d'un système de chauffage (20) avec émetteurs (21), et ce, pendant la phase de déstockage de fluide chaud. Le dispositif de stockage de la chaleur est connecté au circuit hydraulique de manière à ce que le fluide caloporteur contenu dans la première zone de réserve (3) soit amené vers les émetteurs ou radiateurs (21) du système de chauffage, puis que le fluide caloporteur refroidi sortant desdits émetteurs

revienne à la deuxième zone de réserve (4).

Dans le mode d'exploitation selon figure 6, l'ensemble est connecté en permanence (23) au circuit hydraulique (22) d'un système de chauffage avec émetteurs (21), et ce, en remplacement ou en complément d'un système de chauffage tel qu'une chaudière. Il est associé à un deuxième dispositif semblable utilisé comme en figure 5 qui lui assure le remplissage en fluide chaud et lui permet ainsi de remplacer totalement ou en partie le système de production de chaleur.

Dans le mode de réalisation selon figure 7, le dispositif est équipé d'un cloisonnage (24) des zones de réserve, ou au moins de la première zone de réserve (3) afin de mieux maîtriser les températures de stockage, d'éviter les mélanges de strates thermiques et pour faciliter le transport. Ce système de cloisonnage (24) assure deux fonctions.

Premièrement, il limite les pertes thermiques par les parois en évitant que les strates de zones de températures différentes ne se mélangent.

En effet, on a tout intérêt à éviter qu'une quantité de fluide refroidi à proximité d'une paroi insuffisamment isolée ne se mélange à l'ensemble du fluide chaud stocké : l'ensemble refroidirait en mélangeant ces zones de températures différentes ; et les pertes thermiques augmenteraient (le mélange des zones de fluide de températures différentes augmenterait la température en bord de paroi, donc le coefficient d'échange thermique à travers cette paroi).

Deuxièmement, le cloisonnement limite les déplacements du centre d'inertie de l'ensemble lors des phases de changements de vitesse et de direction du véhicule sur lequel le dispositif est monté. Ce deuxième avantage concerne aussi bien le cloisonnement de la première (3) que de la deuxième (4) zone de réserve.

Le système de cloisonnage (24) peut être déformable (à soufflet par exemple) et doté d'ouvertures de sections de passage suffisantes pour permettre le remplissage des zones mais pas assez pour permettre des migrations rapides de masses importantes de fluide.

Dans le mode de réalisation selon figure 8, le dispositif peut être équipé d'un échangeur de récupération d'énergie (25) placé entre le fluide stocké dans la réserve et les gaz d'échappement. La chaleur contenue et dissipée par les gaz d'échappement d'un moteur thermique peut représenter environ 40% de l'énergie consommée pour le fonctionnement dudit moteur. La température atteinte par ces gaz (supérieure à 100 ⁰ C en sortie de moteur) est compatible avec une récupération supplémentaire d'énergie. Il suffit alors de les faire passer par un échangeur (25) en contact avec le fluide chaud de la réserve de récupération (3). Ledit échangeur peut être immergé dans le fluide (comme représenté en figure 8) ou l'envelopper, en partie ou entièrement.

Dans le mode de réalisation selon la figure 9, une vanne hydraulique de régulation de pressions différentielles ou « soupape de décharge » (26) peut être insérée entre les canalisations d'entrée et de sortie (7 et 8) des réserves (3 et 4) afin de permettre un fonctionnement normal du circuit de refroidissement en contournant lesdites réserves lorsque celle de stockage est pleine (3).

Comme illustré sur la figure 4, le dispositif de l'invention est normalement relié à un circuit hydraulique de refroidissement comportant une pompe. Lorsque la pompe est en fonctionnement, entre sa sortie et l'entrée de la réserve 3 la pression peut être considérée comme étant haute, tandis que entre la sortie de la réserve 4 et l'entrée de la pompe la pression peut être considérée comme étant basse. Lorsque la réserve 3 est pleine, l'ensemble s'oppose au déplacement du fluide. La pompe réagit en forçant en augmentant alors sa pression de sortie (pour « pousser » plus) et en abaissant sa pression d'entrée (pour « aspirer » plus fort). Afin de ne pas laisser le système de refroidissement sans irrigation, une vanne dite « de régulation de pression différentielle » peut être placée entre l'entrée et la sortie de la double réserve. Lorsque la réserve 3 est pleine et que l'irrigation n'est plus possible, la différence entre la haute et la basse pression augmentant ; elle exerce une force plus grande sur un clapet qui peut être situé à l'entrée de la vanne (26) et l'ouvre donc (ce clapet peut, entre autres systèmes, être lui-même maintenu par un ressort réglable dont la force suffisait jusque là à maintenir la vanne fermée). Le débit de fluide qui sort du moteur et qui n'est plus admis dans la

réserve pleine trouve alors automatiquement une nouvelle voie de passage vers l'échangeur de refroidissement (radiateur) et peut donc irriguer le moteur dans de bonnes conditions.

Selon une autre variante, l'ensemble peut être équipé d'un dispositif qui le rend démontable et déplaçable grâce à un châssis qui permet le maintien, la protection, les manipulations de montage, démontage, connexion et déconnexion, l'ancrage et le transport (référence 12 sur les figures 1 et 2).

Selon une autre variante, illustré par la figure 10, l'ensemble peut être équipé d'un dispositif qui permet de mettre en contact les deux réserves (3 et 4) avec un système hydraulique extérieur pour assurer les phases de remplissage ou de vidange sans être obligé de démonter l'ensemble du moteur ou du système de chauffage auquel ledit ensemble est connecté en permanence par les canalisations normales d'entrée et de sortie (7 et 8). Une double prise supplémentaire de connexions rapides anti fuite (27) est reliée à l'entrée et à la sortie desdites réserves.

Selon une autre variante de l'invention, illustrée sur la figure 11 , le dispositif peut être conçu comme un cylindre composé de deux secteurs (3', 4') de volumes variables. Ces deux volumes sont délimités par deux cloisons (2') qui se placent entre l'axe central du cylindre et son bord intérieur. L'une est fixe, l'autre est mobile et tourne autour de l'axe sur lequel elle est articulée en faisant ainsi varier les deux volumes de la double réserve. Chacun de ces volumes est relié à une canalisation qui permet les connexions (7, 8) pour les remplissages et les vidanges successifs. A titre d'exemples non limitatif, le système pourra avoir des dimensions de l'ordre de 50 cm de diamètre et 70 cm de hauteur pour les dispositifs d'association de véhicules légers de transport à des systèmes individuels de chauffage central. Il pourra avoir d'autres dimensions en conséquence de la taille des systèmes à équiper (ex : camions, bus, chauffage industriel, ou collectif). Il pourra être exploité couramment dans des plages de températures allant environ de 45°C à 110 ⁰ C.

Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné au captage de la chaleur perdue par les engins de transport routier individuels,

collectifs, professionnels, industriels et commerciaux et est particulièrement destiné à la restitution de chaleur à des systèmes de production de chaleur qui équipent des dispositifs de chauffage domestique, industriel de processus, urbain, tertiaire ou de bâtiments d'équipement. Il est particulièrement destiné à la gestion d'énergie et à l'optimisation des frais de roulement des sociétés urbaines publiques ou privées de transport ou de fret (bus, taxis et leurs locaux administratifs ) ou des sociétés commerciales de transport ou de fret (cars, camions et leurs locaux administratifs).