TRANSFORMATION DE L 'ENERGIE THERMIQUE

La présente invention concerne l'exploitation et la . transformation de l'énergie thermique d'une source ou d'un gisement quelconque, quelque soit son niveau de température. L'invention se rapporte tant au procédé qu'aux dispo- 5sitifs. Quatre champs d'exploitation immédiats se présentent. 1 - Exploitation et transformation de l'énergie la¬ tente contenue dans tout gisement, tel que l'énergie calori¬ que latente considérable contenue dans l'eau des océans, des lacs et des rivières. 10 2 - Exploitation de l'énergie dite diluée, telle que l'énergie solaire avec un rendement thermodynamique théorique voisin de l'unité.

3 - Exploitation de l'énergie dite dégradée, telle que les calories cédées à la source froide par les circuits

I5de refroidissement des machines et installations thermiques, qu'elles soient classiques ou nucléaires. Cette énergie dis¬ sipée représente habituellement la part la plus importante de l'énergie consommée par ces installations.

4 - Réalisation de dispositifs intégrant dès le dé- iUpart la récupération des calories cédées à la source froide, afin de concevoir des machines et des installations thermiques dont le rendement thermodynamique théorique serait voisin de 1 'unité.

Le principe de Carnot indique qu'une machine fonctionnant

25sur un cycle thermodynamique cède nécessairement de l'énergie à une source froide. Cette énergie cédée à la source froide définie le rendement thermodynamique de l'installation, et dans la plupart des cas, entre 60 et 101 de l'énergie fournie à une installation part en pure perte ainsi à la source froide.

30 Le principe de Carnot indique d'autre part que la chaleur passe spontanément d'un milieu chaud vers un milieu froid. A l'inverse le passage des calories d'un milieu froid vers un milieu chaud (cycle réfrigérant) nécessite une consommation de travail fourni par un dispositif extérieur. Dans le cas d'une

^exploitation sous forme thermique de cette énergie, l'opération

ILLE DE REMPLACEMEW

peut être rentable, c'est le cas notamment des pompes de chaleur. Dans le cas ou cette énergie doit être exploitée sous une autre forme que l'énergie thermique, le travail nécessaire à la circulation forcée des calories de la source froide vers la source chaude à même valeur absolue au rende¬ ment près que celui succeptible d'être développé par ces ca¬ lories. Il était donc impossible de récupérer en la transfor¬ mant de façon rentable l'énergie cédée à la source froide. D'autre part l'énergie calorique latente contenue dans de nombreux gisements ne pouvait être exploitée faute d'une sour¬ ce froide permettant une cinétique des calories. Dans le cas de l'énergie thermique des mers, une astuce a consisté à uti¬ liser la différence de température entre les eaux de surface et les eaux de profondeur. Le problème est ainsi ramemé a un cycle thermodynamique classique de très faible rendement (environ 0,071), il n'y a donc pas vraiment exploitation de l'énergie latente.

Dans les machines thermodynamiques existantes fonction¬ nant selon un cycle qu'il soit ouvert ou fermé, les différents échanges de calories se font essentiellement par conduction, à l'aide d'un fluide parcourant le cycle. Dans la conduction le transfert des calories correspond en fait au transfert d'énergie cinétique des particules . . Il y a ralentissement des particules du milieu chaud et diminution de leur énergie cinétique, au bénéfice d'une accélération des particules du milieu froid et augmentation de leur énergie cinétique. On comprend bien qu'une particule d'une vitesse donnée ne saurrait accélérer une particule de vitesse supé¬ rieure. Le transfert ne peut donc se faire naturellement que d'une particule de vitesse donnée vers une particule de vi¬ tesse Inférieure, du chaud vers le froid. Telle si" la con¬ dition essentielle de toutes les machines thermodynamiques existantes.

Le procédé objet de l'invention est caractérisé par le fait qu 'il s'affranchi de la condition du passage unique des calories du chaud vers le froid.

Le procédé objet de l'ivention est caractérisé par le fait qu'on opère par la combinaison d'un cycle thermodynami¬ que direct (moteur) et d'un cycle thermodynamique inversé (réfrigérant). Le principe consiste à puiser l'énergie calo- rique d'une source ou d'un gisement quelconque à l'aide du cycle réfrigérant, et de l'exploiter à l'aide du cycle moteur. La difficulté consiste à "revaloriser" les calories ainsi pui- =e^s c'est à dire à les amener à un niveau de température tel qu'elle puissent être exploitéespar le cycle moteur. Le procédé objet de l'invention est caractérisé par le fait que la revalorisation des calories se fait par rayon- r.ement et non par conduction afin de s'aff anchir des condi¬ tions de transfert d'énergie cinétique.

Le dispositif objet de l'invention est caractérisé par le fait qu'il comporte un "échangeur-concentrateur" de rayon¬ nement; Dans cet échangeur concentrateur les calories sont amenées par conduction à un émetteur (qui peut constituer la source froide d'une machine thermodynamique). L'émetteur rayonne dans une enceinte ou a été fait le vide. Le rayonnement électromagnétique émis est alors concentré soit :

- à l'aide d'un système optique à la manière des concen¬ trateurs de rayonnement solaire.

- à l'aide d'un système de diode thermique permettant l'accumulation de rayonnement dans l'enceinte. Le flux thermique concentré est absorbé par un récepteur (qui peut constituer la source chaude d'une machine thèrmodyna- nique) . L'absorpsion de ce flux concentré provoque sur le récep¬ teur une température supérieure à celle de l'émetteur. Les calories sont ensuite évacuées par conduction. Le dispositif objet de l'invention est caractérisé par le fait qu'il permet un transfert de calories d'un niveau de température donné à un niveau de température supérieure, et cela sans apport de travail d'un dispositif extérieur.

Selon une disposition de l'invention les calories cédées έ la source froide du cycle moteur sont revalorisées de la r.ême façon. Le système ne nécessite donc pas pour fonctionner

l'existance d'une source froide proprement dite ou il céderait de l'énergie au système extérieur.

Il en découle que le procédé et les dispositifs objet de l'invention sont caractérisés par le fait que ne nécessitant pas de source froide ils permettent l'exploitation de n'importe quelle source ou gisement d'énergie calorique quel que soit son niveau de température. D'autre part ne cédant aucune calories au système extérieur, le rendement thermodynamique théorique est égal à 1. Toutes les calories puisées étant exploitées. - La figure 1 est représenté en diagramme de clapeyron un exemple possible de combinaison des cycles moteur et réfrigérant.

- La figure 2 est le schéma d'une installation fonctionnant selon le cycle de la figure 1. - Les figures 3 et 4 représentent des exemples possible de concentrateurs optiques.

- La figure 5 représente le schéma de principe d'u -concentra¬ teur à effet de diode thermique.

- La figure 6 représente un exemple de concentrateur à effet de diode thermique.

- La figure 7 représente un exemple d'installation fonctionnant selon le cycle de la figure 1 appliqué à l'exploitation de l'énergie latente d'un gisement fluide.

- La figure 8 représente un exemple d'installation fonctionnant selon le cycle de la figure 1 appliqué à l'exploitation de l'énergie solaire.

- La figure 9 représente un exemple d'installation fonctionnant selon le cycle de la figure 1 appliqué à l'exploitation de l'énergie dégradée des circuits de refroidissement. - Les figures 10, 11, 12, représentent des dispositifs de récu¬ pération intégrés aux dispositifs de production d'énergie.

1ère Application : exploitation de l'énergie latente.

La figure 1 représente le cycle d'une des solutions pos¬ sible. Il s'agit d'un système a une phase (gazeuse) en circuit fermé dans lequel les cycles moteur et réfrigérant sont com¬ binés de façon à être parcourus par le même fluide.

L'intérêt de cette combinaison est à la fois mécanique et thermodynamique. Les travaux de compression du cycle réfri¬ gérant et du cycle moteur se font sans discontinuité sur la même courbe isentropique. De même les cessions de calories du cycle réfrigérant et de la source froide du cycle moteur se font sans discontinuité sur la même courbe isobare. La totalité des calories cédées est recyclée. Le rendement thermodynamique du système est donc de 1. Ce cycle combiné permet la réalisation d'une installation simple selon le shéma figure 2 qui constitue une des solutions possible.

Les calories sont prélevées du gisement par un absorbeur A dans lequel circule un fluide (du fréon par exemple) à une température inférieure à celle du gisement. L'échange se fait donc par conduction. Le fluide est ensuite comprimé par le compresseur C. Il reçoit le rayonnement infra-rouge concentré dans le récepteur R de l'échangeur-concentrateur EC; Une première détente se fait dans la turbine Tl. A l'émetteur E de l'échangeur EC, le fluide cède au rendement près, une quan¬ tité de calories équivalente à celle qu'il avait absorbé en R. Une seconde détente se fait dans la turbine T2, avant de péné¬ trer dans l'absorbeur A pour un nouveau cycle en accord avec la figure 1 le cycle se décompose ainsi :

- de 1 à 2 compression adi-ô.ba_t_ique dans le compresseur C

- de 2 à 3 rechaffement isobare dans le récepteur R - de 3 à 4 détente adiabatique dans la turbine Tl

- de 4 à 5 refroidissement isobare dans l'émetteur E

- de 5 à 6 détente adiabatique dans la turbine T2

- de 6 à 1 réchauffement isobare dans l'absorbeur A

Le bilan des puissances s'établit de la façon suivante : Soit Cp la chaleur spécifique à pression constante de fluide considéré. Cv la chaleur spécifique à volume constant du fluide considéré.

Cv

pression de sortie/pression d'entrée de C pression d'entrée/pression de sortie de Tl pression d'entrée/pression de sortie de T2 La condition logique de fonctionnement est s]C>f --**? m? * rP3 de façon à former un cycle

Cycle moteur

Puissance absorbée au récepteur : r Puissance cédée à l'émetteur : <? Puissance développée par le cycle moteur

Cycle réfrigérant

Puissance absorbée à l'échangeur : & Puissance cédée à l'émetteur : ^ "^ °^ Puissance consommée par le cycle réfrigérant

Cycle combiné

Puissance totale cédée à l'émetteur

Puissance utile développée

₌ βr-P _c - Gp- J- iprf-f)

Le bilan des puissances du compresseur et des turbines produit un exedent qui peut être utilisé dans une machine ré- cep/"TJCe ϋ (générateur, pompe, prise de force ou autre...) La puissance utile correspond à la puissance calorique prélevée du gisement. Ce bilan correspond à la puissance théorique dis¬ ponible et ne tient pas compte des différents rendements.

L'architecture représentée est la plus simple, elle pro¬ pose l'accouplement de tous les organes moteurs ou récepteurs sur le même arbre. Il est cependant possible de les faire fonctionner séparément ou reliés entre eux par des organes réducteurs ou multiplicateurs de vitesse. Dans le cas ou le gisement serait une masse d'eσu une pompe telle que représentée figure 7 pourrait être accouplée à l'arbre moteur.

La revalorisation des calories se fait grâce à l'échan- geur-concentrateur. Tout les typeide concentrateurs optiques tels que ceux utilisés pour l'énergie solaire peuvent être ap¬ pliqué ici.

La difficulté consiste à assurer que la totalité du rayon¬ nement émis soit réfléchi vers le récepteur, et qu'il y ait effectivement concentration. De plus les différentes reflexions n'étant pas sans perte, il vaut mieux en diminuer le nombre.

La figure 3 représente selon une disposition de l'inventio une des solution poscible de concentration optique. Il s'agit d'un ensemble anicone composé. L'émetteur E rayonne dans un parabole P qui distribue le rayonnement dans un concentrateur parabolique composé (CP.C.) à un ou plusieurs étages, le dernier étant fermé par un réflecteur en à/Zv&loap irifeàe cercle (DC) . Le facteur de concentration C est égal au rapport DE de l'émetteur E et du récepteur R. DR La figure 4 représente selon une disposition de l'invention un type de concentrateur pouvant être utilisé.

Il s'agit d'une enceinte hermétique dans laquelle a été fait le vide, et ou rayonne un émetteur E vers un récepteur R.

La surface intérieure réfléchissante constitue le système op- tique proprement dit. La courbe du concentrateur est fonction des diamètres normalement égaux de l'émetteur et du récepteur,

-ô-

et de la distance entre ces 2 foyers. Elles se construit selon la méthode du fil similaire à la construction d'une ellipse, et constitue un concentrateur am ^' c& ne dit idéal qui transmet la totalité du rayonnement émis de E vers un foyer de diamètre équivalent en R. Le récepteur R est constitué d'une première enveloppe d'un diamètre supérieur au diamètre de E de façon à ce qu'il y ait intersection entre les rayons issus de E et la surface de l'enveloppe. Cette première enve¬ loppe est constituée en matériaux transparent à l'infra-rouge tel que le verre de chalcogénure.

L'indice de réfraction de cette enveloppe est tel que les rayons réfractés sont concentré vers l'enveloppe intérieur qui constitue le récepteur proprement dit. Le rapport de con¬ centration C est égal au rapport des diamètres DE de l'émetteur et du récepteur.

Une partie du rayonnement absorbé en R est τeξrr)\3 en direction de E, et pour le cas ou les surfaces émetrice et réceptrice ne sont pas de même nature, il se produit au phé¬ nomène de concentration par effet de diode thermique tel que décrit dans le type de concentrateur suivant.

La figure 5 représente le schéma de principe du concen¬ trateur à effet de diode thermique.

Selon l'invention le principe consiste a utiliser les caractéristiques d'absorption et de réfexion des surfaces é- mettrice et réceptrice pour provoquer dans l'enceinte un effet de concentration du flux thermique. Considérons l'émetteur E, il est d'un côté en contact avec le fluide qui est à la tempé¬ rature et de l'autre II rayonne dans l'enceinte. Il reçoit du récepteur un rayonnement d'un flux 0 _C son équilibre thermique s'établit ainsi.

- Le fluide lui communique par conduction la température TE

- Flux rayonné 0R = -^t^ 7g- tm ^r ~ = constante de stephan <^r-facteur total d'émission à la température TE - Flux réfléchi 0 _RF£ = E 0 _C

'£" = facteur total de réflexion à la température TE

- Flux total émis 0 _∑ = 0 _R + 0 _RF£

- Puissance absorbée du fluide = Pp _E

- Puissance absorbée du rayonnement 0 _C en provenance de R

^P AE ^{= 0} AE ^S E avec S„ = surface de l'émetteur.

- Puissance totale émise P _E =0 _E SE à l'équilibre on a P _£ + Pp _E + P. _E = 0

Considérons le récepteur R, il reçoit de l'émetteur E le flux total 0 _V dont il absorbe une partie 0. , et réfléchit une partie 0 _RFΛ - Le flux absorbé 0. provoque la température T. et une réemission 0 _RE vers l'émetteur.

- Flux total reçu _E

- Flux absorbé 0. = . 0- avec - ^? ) = facteur total d'absorption à la température T.

Flux réfléchi 0 _RFA = ^ 0 _£ avec J/g = facteur total de réflexion à la température T.

Flux réémis 0^ = crS^ T^ avec Ç = facteur total d'émission à la température Puissance transmise au fluide P FA Puissance absorbée P. = 0. S.-, avec S.-, = surface d'entrée de R = S _E Puissance réemise P-n _p = 0 _RF S., à l'équilibre ou a P. + Pp. + P _RE = 0

On identifie la puissance Pp. transmise par le récepteur à l'action d'un flux 0 . qui serait émis par la surface S.2 de sortie du récepteur. on a donc 0 _A = 0 _R£ + 0 _υ 0^ ^*** _A ~ 0 _υ

on arrive après calculs à l'expression

on a évidement la température maximale pour 0^ = 0 ce qui conduit à l'expression

de laquelle on conc ut

- Pour un émetteur et un récepteur parfaitement identiques, il n'y a pas concentration, il faut donc jouer sur les caractéristiques des surfaces emettrice et réceptrice. - La surface S~? doit être, la emettrice et la moins absorbant possible _f^-élevé -J faible.

- La surface S^doit être la plus absorbante et la moins emettrice pos sible -fa élevé (f/Q faible.

En l'absence de toute utilisation de puissance à S.« (0 _TT = 0) si <_^>tend vers 0, T. tend vers + <?° on à donc une circulation naturelle de calories d'un émetteur de température T _E à un récepteur de température T. > T _p

Indépendement du flux thermique utilisé dans l'installation et qui traverse l'échangeur, il s'échange constamment un flux die entre E et R. Il est en grande partie réfléchi sur la surface E

( £- élevé) et ne modifie donc pas notablement la température T _p de E. Il est en grande partie absorbé en R et contribue à élever la température T. de R avant d'être réemis à température élevé (£ faible) . Bien sur au fur et a mesure que croitra la puissance utile en sortie de R la température T. va baisser. On définit comme étant le rapport du flux utile sur le flux rayonné. σ>7 Dose /S -r c _=,_> jz, ≈/

ac/s P&rf o ? a .- ^ _£ - <--& d# - (zf /LΫ- y£β)

<~λ£-

<&,C ^ . ₌ _ άr-fr - Sfr-£β ⁾ 7

A titre d'exemple en conSi4-?ι ^* _wrune surface emettrice

^T= 0,25 et ^ = 0,9 une surface réceptrice

<*/} = 0,98 et <- = 0,19 le facteur de concentration maxi (0 _TT = 0) serait

En prenant S = 0,5 = 0,5 0 _R on a

≠. l s άas - ,5( - 7s« , 2)7 . ^

La figure 6 représente un concentrateur à effet de diod Il se compose essentiellement de deux tubes concentriques : l'émetteur E et le récepteur R séparé par un espace très faibl dans lequel est fait le vide.π l'extérieur de E dans une en- ceinte cabrifugée circule le fluide qui cède ses calories à E à la température T _p , à 1'intérieur de R circule le fluide qui reçoit les calories de R à la température T _F 2> Les diamètres intérieur de E et extérieur de R étant très proches on peut considérer S _p = S.-.. La surface d'échange S,^ ^est fonction ell du facteur de concentration choisi de telle sorte que 0„ x S., La figure 7 représente un exemple d'installation selon l'invention, fonctionnant selon le cycle défini figure 1 ap¬ pliqué à l'exploitation de l'énergie latente d'un gisement fluide. Une pompe permet la circulation du fluide du gisement dans un échangeur.

2ème Application : Exploitation de l'énergie solaire.

Le système tel que représenté figure 8 fonctionne selon

le cycle défini figure 1. L'absorbeur est constitué par l'insσ- lateur ou le foyer d'une installation solaire classique. Outre le rendement thermodynamique élevé le procédé présente l'avan¬ tage de permettre l'utilisation d'un capteur à basse tempéra- ture, de façon à limiter les pertes par rêemission d'infra¬ rouge, et de permettre un captage facile de 1 ^* infra-rouge in¬ cident direct ou diffus.

3ème Application : Récupération des calories par les circuits de refroidissement des machines et installations thermiques. Le système tel que représenté figure 9 fonctionne selon le cycle défini figure 1. L ¹ absorbeur A est constitué par un échangeur dans lequel circule le fluide de refroidissement de la machine ou de l'installation. Un tel système correctement dimenssionné permet de récupérer en plus des calories cédées à la source froide une partie de l'énergie latente 'contenue dans le fluide lui-même.

4ème Application : Réalisation de dispositifs intégrant dès le départ la récupération des calories de la source froide.

Les systèmes représentés figures 10 et 11 fonctionnent selon le cycle défini figure 1. Il s'agit du cas d'exploita¬ tion a l'aide d'un circuit fermé tel que centrale nucléaire. L'absorbeur est constitué par l'échangeur entre les circuits primaire et secondaire (figure 10) ou entre les circuits se¬ condaire et tertiaire (figure 11) . Le système représenté figure 12 fonctionne selon le cycle défini figure 1. Il concerne les machines ou installa¬ tions utilisant un cycle ouvert, telles que toutes les machi¬ nes à combustion (moteurs, chaudières, etc..) un compresseur et une turbine supplémentaires sont nécessaires pour le circuit des gaz de combustion.

L'absorbeur est constitué par un échangeur situé de pré¬ férence en aval de la turbine du circuit des gaz de combustion. L'architecture représentée propose l'accouplement de tous les organes émetteurs ou récepteurs sur le même arbre, mais ils peuvent soit être séparés ou reliés entre-eux par des organes réducteurs ou multiplicateurs de vitesse.