[0001] La présente invention est relative à une machine à induction thermique pour mettre
en relation des ressources thermiques et des utilisations thermiques, en vue de valoriser
l'énergie thermique des ressources.
[0002] On connaît la nécessité d'économiser l'énergie. Un moyen de le faire est d'utiliser
les ressources enthalpiques existantes et de les faire évoluer de leur température
actuelle à une température d'utilisation, en conservant leur contenu exergétique.
On peut citer à titre d'exemple de ressource enthalpique à haut niveau de température,
la vapeur d'eau à 500°C issue d'une centrale thermique. Le moyen actuel permettant
de conserver au maximum l'exergie de cette ressource est d'utiliser une turbine qui
produira de l'énergie mécanique transformable en énergie électrique.
[0003] On voit que la mise en oeuvre exige des investissements importants.
[0004] Un autre exemple est celui d'une source enthalpique à bas niveau de température (rejet
thermique d'usine, par exemple eau à 45°).
[0005] On peut utiliser le contenu enthalpique de cette source, pour le chauffage de locaux
par exemple, en accroissant sa température jusqu'à 80° au moyen d'une pompe à chaleur.
[0006] Les pompes à chaleur conventionnelles à fluide de travail comprimé ont un coefficient
de performance médiocre.
[0007] Elle nécessitent des éléments dynamiques (compresseurs) sujets à usure et à entretien.
[0008] Les pompes à chaleur à absorption utilisent un processus statique, mais leur rendement
est par essence médiocre du fait de la structure de leur cycle thermique.
[0009] Un but de l'invention est de réaliser une machine thermique ne mettant en jeu que
des échanges thermiques quasi-réversibles, de manière à éviter la dégradation du contenu
exergétique des ressources thermiques utilisées.
[0010] Un autre but de l'invention est de réaliser une machine qui, soit ne comporte que
des moyens statiques, donc robustes et peu sujets à usure, soit combinent moyens statiques
et moyens dynamiques, mais avec un rendement énergétique bien supérieur à celui fourni
par les systèmes qui suivent les cycles thermiques connus.
[0011] Un but de l'invention est de réaliser une machine thermique réversible c'est-à-dire
capable de recevoir de l'énergie thermique à un niveau de température moyen et valoriser
cette énergie en la portant à haute température, aussi bien que de recevoir de l'énergie
à bas et haut niveau et de la fournir à niveau intermédiaire.
[0012] Un autre but est de réaliser des dispositifs thermiques dont les coûts de fabrication
soient notablement abaissés par rapport aux machines thermiques de même puissance.
[0013] Pour bien comprendre la structure et le fonctionnement du dispositif thermique de
l'invention, il est nécessaire de rappeler quelques notions thermodynamiques et de
donner un certain nombres de définitions.
[0014] L'idée de départ qui a conduit au dispositif de l'invention est qu'il est possible
de réaliser des transferts thermiques statiques quasi-réversibles. Cette notion de
transfert thermique statique quasi-réversible a pour origine l'étude de la distillation.
[0015] La figure 1 représente schématiquement une colonne à distiller 1 pour la distillation
d'un mélange de deux corps A et B, A étant le plus volatil. La colonne est associée
à un bouilleur 2, et à un condenseur 3. L'axe des températures T est dirigé vers le
bas de la figure.
[0016] Le mélange A + B est introduit en milieu de colonne à une température T
2 ; le corps B, à pureté contrôlée, s'écoule liquide en fond de colonne à température
T
o ; une partie part à la production P
B, l'autre est évaporée dans le bouilleur 2 ; le contenu enthalpique de la vapeur ainsi
produite est distribué le long de la colonne ; lorsque cette vapeur arrive en tête
de colonne à température T , elle contient le corps A à pureté contrôlée ; elle est
alors condensée ; une partie de A porte à la production P
A, l'autre (reflux) est renvoyée dans la colonne. La flèche V représente le flux de
vapeur et la flèche L le flux de vapeur dans une section S (T) de la colonne à la
température T.
[0017] On suit habituellement les opérations physiques mises en jeu sur le diagramme de
Merkel ; ce diagramme (figure 2) comprend pour chaque pression :
. les fuseaux d'équilibre, concentration x(T) liquide et y(T) vapeur du corps A.
. l'enthalpie h (liquide) et H (vapeur) du mélange en fonction des concentrations.
[0018] Les correspondances entre ces grandeurs sur le diagramme sont indiquées dans la figure
2.
[0019] Il est facile de se convaincre que la distillation ainsi réalisée ne peut pas être
réversible : en écrivant entre deux sections de colonne les trois équations de conservation
(débit A, débit A + B, enthalpie) on s'aperçoit qu'elles ne peuvent être vérifiées
toutes trois simultanément ; par suite, dans la distillation classique à colonnes
calorifugées, les phases liquide et vapeur en contact évoluent nécessairement hors
d'équilibre.
[0020] La Demanderesse a observé que pour avoir l'équilibre thermodynamique (c'est-à-dire
les valeurs des concentrations des liquide x et vapeur y correspondant à l'équilibre
aux pressions températures considérées), en tous points, il faut apporter ou enlever
de la chaleur dans chaque tranche de colonne. Le brevet français n° 80 17313 donne
un exemple des moyens pouvant être mis en oeuvre pour réaliser une distillation réversible.
[0021] La distillation réversible qu'on réalise de cette façon se caractérise ainsi dans
chaque cas particulier par une distribution de chaleur Q(t) :

telle que représentée typiquement dans la figure 3.
[0022] Q(T) comprend plusieurs parties, et notamment :
- la partie BC (épuisement E) qui traduit une activité endothermique de la colonne
- CD (rectification R) qui est exothermique.
[0023] Les portions BC et CD sont toutes deux des arcs de courbes très tendus qui peuvent
être assimilés à des droites, représentatives d'échanges avec des circuits caloporteurs
extérieurs à chaleur spécifique constante.
[0024] Le raisonnement qui vient d'être fait relativement à une colonne à distiller est
valable pour tout type d'échangeur thermique, en particulier pour un système thermique
constitué par exemple par une colonne à garnissage ou à plateaux équipée, sur toute
sa hauteur, d'échangeurs parcourus par des circuits caloporteurs extérieurs de chaleur
sensible apportant à ou extrayant de ladite colonne la distribution de chaleur linéarisée
assurant son fonctionnement réversible. Un tronçon de colonne équipée d'un circuit
caloporteur extérieur à débit constant peut être considéré comme un échangeur comprenant
un premier compartiment, diphasique, constitué par la colonne elle-même,le deuxième
compartiment étant parcouru par le fluide caloporteur extérieur. Un tel échangeur
est dénommé élément de transfert thermique.
[0025] On notera qu'à travers un tel échangeur le flux d'éxergie de l'ensemble des effluents
reste constant en fonction de la température, au second ordre près.
[0026] On désignera dans ce qui suit par activité thermique la quantité de chaleur reçue
ou fournie dans chaque élément de transfert thermique pour assurer la réversibilité
des phénomènes thermodynamiques pour chaque niveau de température T.
[0027] Un élément de transfert thermique est défini par :
- la nature du mélange diphasique utilisé
- les débits de fluide de travail liquide et vapeur du premier compartiment
- la pression de fonctionnement de l'échangeur
- les valeurs des températures entre lesquelles le fluide évolue dans l'élément.
[0028] On en déduit les puissances calorifiques appliquées à l'élément (ressources calorifiques
= chaleur apportée au système, positive ; utilisations calorifiques = chaleur fournie
par le systèmes, négative) et par suite, la nature du caloporteur.
[0029] A chaque élément de transfert thermique donné (dit "direct"), à pression donnée on
peut faire correspondre un élément de transfert thermique "inverse", à une autre pression,
dans lequel :
_
- la nature du mélange diphasique est la même ainsi que celle du fluide caloporteur
- on trouve dans l'élément direct et l'élément inverse, aux sections homologues, les
mêmes débits liquide et vapeur aux mêmes concentrations des constituants du fluide
de travail, mais évoluant en sens inverse en fonction de la température.
- les sources ont même valeur absolue pour un élément direct et un élément inverse,
mais les signes sont opposés.
[0030] L'invention a pour objet un dispositif de transfert thermique en vue de mettre en
relation des ressources thermiques et des utilisations thermiques, afin de valoriser
l'énergie des ressources sans diminuer leur contenu exergétique, ledit dispositif
fonctionnant de façon très proche de la réversibilité avec un fluide de travail constitué
d'au moins deux corps purs miscibles et mis en jeu sous forme diphasique, caractérisé
en ce qu'il comprend :
- un premier ensemble direct d'éléments de transfert thermique mis en série sur les
débits liquide et vapeur du fluide de travail, ledit premier ensemble comprenant une
première colonne à échange diphasique fonctionnant à une première valeur de pression,
- un second ensemble d'éléments de transfert thermique, ledit second ensemble étant
inverse du premier et contenant le même nombre d'éléments et notamment une deuxième
colonne à échange diphasique, la seconde colonne travaillant à une seconde valeur
de pression inférieure à la première valeur, des débits adventices étant établis entre
les deux ensembles aux bornes des éléments homologues, toutes les parties du dispositif
ayant une température comprise entre deux valeurs quelconques échangeant de la chaleur
entre eux, les débits adventices et leur sens étant ajustés pour que les deux colonnes
reçoivent en tous points au cours des échanges les quantités de chaleurs correspondant
à leur activité thermique.
[0031] Dans un mode de réalisation particulier, la machine comprend une première et seconde
colonnes couvrant continuement un domaine de température T T
2, sans recouvrement des domaines de température respectifs des colonnes, les zones
d'extrémités des colonnes étant toutes le siège d'échange de chaleur avec l'extérieur,
les zones-aux températures T et T
2 échangeant dans le même sens, les autres zones d'extrémité échangeant en sens inverse.
[0032] Dans un mode industriel de réalisation correspondant à une pompe à chaleur tritherme
monoétagée, la machine est caractérisée en ce que les première et seconde colonnes
comprennent à leur extrémité la plus chaude respectivement un premier bouilleur et
un second bouilleur et à leur extrémité la plus froide respectivement un premier et
un second condenseur, les bouilleurs recevant de la chaleur de ressources extérieures
au dispositif et les condenseurs fournissant de la chaleur à une utilisation, les
débits adventices comprenant :
- une première paire reliant les extrémités conjuguées du premier bouilleur et du
second condenseur et échangeant de la chaleur dans un premier échangeur à contre-courant,
- une seconde paire reliant les extrémités conjuguées du second bouilleur et du premier
condenseur et échangeant de la chaleur dans un second échangeur à contre-courant,
- une troisième paire reliant sensiblement le milieu de la première colonne au second
condenseur et échangeant de la chaleur dans un troisième échangeur à contre-courant,
et une quatrième paire reliant sensiblement le milieu de la seconde colonne au premier
condenseur et échangeant de la chaleur dans un quatrième échangeur à contre-courant.
[0033] Dans un mode industriel de réalisation correspondant à une machine de valorisation
d'énergie disponible à moyen niveau de température, la première colonne directe comprend
à son extrémité la plus chaude un premier condenseur fournissant de l'énergie à une
utilisation, la seconde colonne inverse comprenant à son extrémité la plus froide
un second condenseur fournissant de l'énergie à l'utilisation, les deux colonnes comprenant
chacune à leur température commune un bouilleur recevant de la chaleur de ressources
extérieures, les débits adventices comprenant :
- une première paire reliant les extrémités conjuguées du premier bouilleur et du
second condenseur et échangeant de la chaleur dans un premier échangeur à contre-courant,
- une seconde paire reliant les extrémités conjuguées du second bouilleur et du premier
condenseur et échangeant de la chaleur dans un second échangeur à contre-courant,
- une troisième paire reliant sensiblement le milieu de la première colonne au second
condenseur et échangeant de la chaleur dans un troisième échangeur à contre-courant,
et une quatrième paire reliant sensiblement le milieu de la seconde colonne au premier
condenseur et échangeant de la chaleur dans un quatrième échangeur à contre-courant.
[0034] Dans un autre mode de réalisation correspondant à une machine multiétagée, les première
et seconde colonnes couvrent un domaine de température T T
2g avec une zone commune de température T
1 T2, les sources de chaleur, positive ou négative, appliquée à une colonne entre deux
valeurs données de température induisant dans l'autre colonne, entre les mêmes températures,
une chaleur de signe inverse.
[0035] Dans un autre mode de réalisation de la machine, en lui associant une source de travail
(positive par un compresseur, négative par une turbine), la machine est caractérisé
en ce qu'au moins un point d'une colonne, situé dans une section d'extrémité d'un
élément de transfert thermique constitutif de ladite colonne, est relié à un circuit
de prélèvement de vapeur qui transporte de la vapeur au point homologue de la colonne
inverse, ledit circuit comprenant un organe pour porter la pression de la vapeur de
sa valeur au point de prélèvement à sa valeur au point de réinjection dans ladite
colonne inverse, la machine comprenant un moyen pour établir un débit liquide entre
lesdits points de prélèvement et de réinjection de vapeur, de manière à obtenir l'égalité
des débits liquides dans les sections homologues des colonnes associées.
[0036] L'invention sera bien comprise par la description donnée ci-après de divers mode
de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel :
[0037]
La figure 1 représente schématiquement une colonne de distillation classique.
La figure 2 représente un diagramme de Merkel pour un mélange binaire.
La figure 3 illustre les échanges de chaleur survenant dans une colonne de distillation
effectuant un processus quasi-réversible.
La figure 4 est un schéma de principe d'un dispositif de transfert thermique monoétagé.
La figure 5 est un diagramme de Merckel se rapportant au dispositif de la figure 4.
Les figures 6 à 10 sont des schémas de principe expliquant le fonctionnement d'un
dispositif de transfert thermique à induction multiétagé.
La figure 11 est un diagramme de Merckel d'un dispositif de transfert thermique à
induction, multiétagé.
La figure 12 représente schématiquement une machine à induction thermique monoétagée
dans un premier mode de réalisation.
La figure 13 est un schéma plus détaillé de la machine de la figure 12.
La figure 14 est une représentation encore plus détaillée de la machine des figures
12 et 13.
Les figures 15 et 16 sont deux schémas d'une machine à induction thermique monoétagée
selon un deuxième mode de réalisation.
Les figures 17 et 18 sont deux schémas d'une machine à induction thermique monoétagée
selon un troisième mode de réalisation.
Les figures 19 et 20 représentent deux schémas d'échangeurs utilisés dans les machines
de l'invention.
La figure 21 représente schématiquement une machine tritherme fournissant de la chaleur
à haut et bas niveau de température et recevant de la chaleur à un niveau intermédiaire.
Les figures 22A et 22B représentent schématiquement une machine monoétagée.
La figure 23 représente une machine multiétagée obtenue par la combinaison de deux
machines monoétagées représentées dans les figures 22A et 22B,
Les figures 24 à 26 sont des schémas explicatifs pour l'élabora- 'tion d'une machine à travail extérieur.
La figure 27 est un schéma d'une machine à induction thermique fournissant du travail.
La figure 28 est un schéma d'une pompe à chaleur à induction thermique selon un premier
mode de réalisation.
La figure 29 est un schéma d'une pompe à chaleur à induction thermique selon une variante.
La figure 30 est le schéma inverse de celui de la figure.25.
La figure 31 est le schéma d'une pompe à chaleur à induction thermique selon un troisième
mode de réalisation.
Les figures 32 à 34 illustrent la réalisation d'une pompe à chaleur à induction thermique
selon un quatrième mode de réalisation.
La figure 35 représente schématiquement une pompe à chaleur selon un cinquième mode
de réalisation.
La figure 36 montre schématiquement une machine à induction thermique à travail extérieur
comprenant quatre colonnes.
La figure 37 représente la machine de la figure 36 réduite à trois colonnes.
Les figures 38 et 39 représentent des variantes respectives des figures 36 et 37.
La figure 40 est un diagramme des isoconcentrations de liquide caloporteur en fonction
de la pression et de la température.
Les figures 41 et 42 sont des schémas de machines à induction thermique à travail
extérieur à 4 et 6 étages respectivement.
[0038] Les figures 1 à 3 ont déjà été commentées.
[0039] La figure 4 représente schématiquement un dispositif selon l'invention, dans la version
dite monoétagée. Le dispositif est constitué par l'association de deux colonnes à
contact diphasiques (par exemple à plateaux ou à garnissages), où l'on met en jeu
un fluide de travail suivant les modalités précisées ci-dessous. Le fluide de travail
est un mélange d'au moins deux corps purs miscibles. Dans tout ce qui suit, on simplifiera
l'exposé en ne donnant que des exemples de mélanges binaires. La figure 4 doit être
lue avec les conventions ci-après, valables, sauf indication contraire, pour tous
les schémas thermiques qui seront expliqués dans ce mémoire.
- L'axe de température T est dirigé vers le bas du dessin.
- Dans les colonnes les flux de liquide et de vapeur sont désignés par L et V
Les valeurs des débits adventices sont désignés par la lettre m munie d'indices.
- Si on trace un axe perpendiculaire à l'axe des températures, la température est
la même pour tous les points coupés par cet axe qu'il s'agisse des points de la colonne,
des circuits caloporteurs ou des sources extérieures.
[0040] Pour réaliser cette condition les colonnes, les circuits caloporteurs et les sources
extérieures (ressources : comptées positivement et utilisations : comptées négativement)
échangent de la chaleur.
[0041] En revenant à la figure 4, on note que la colonne C
d de droite (haute pression P, haute température) est une colonne à distiller dont
la région à haute température entre T et T'
0 est un bouilleur qui reçoit une quantité de chaleur Q
0 de l'extérieur (par exemple d'un caloporteur M
o), et dont on extrait un débit liquide m
0 à T
o.
[0042] La région à bas niveau est un condenseur qui rejette à l'extérieur une chaleur Q
1 entre T
1 et T
1, (par exemple vers un caloporteur M
1,) et dont on extrait un débit de condensat m
1 à T
1.
[0043] Cette colonne comporte tout au long de son domaine de température T
0T
1 une distribution de débits élémentaires dm de soutirage ou d'injection du fluide
de travail (débits adventices) qui échangent leur chaleur sensible avec la colonne
; par construction les débits adventices sont ajustés pour que les échanges avec la
colonne correspondent en tous points à la fourniture d'une quantité de chaleur égale
à l'activité thermique de la colonne. La détermination des dm se fait de la façon
suivante :
Le calcul se déroule pas par pas vers les températures décroissantes en partant de
T0. Supposons qu'à un stade du calcul on soit arrivé en T', on connaît donc L' V' et
tous les dm calculés entre To et T', écrivons les équations pour le pas de calcul
élémentaire T' T (deux équations de conservations du débit, conservation de l'enthalpie).



Le liquide et la vapeur étant par en hypothèse en équilibre en T et T', les grandeurs
thermodynamique (x, y, h, H ) sont connues, dq est l'apport de chaleur extérieure
et est une donnée ; on a donc trois équations linéaires avec L, V, dm comme inconnu,
on peut donc résoudre de proche en proche de T0 à T1 ; la colonne ainsi obtenue est strictement réversible.
[0044] Notons que la pratique du calcul indique que les sections du type
To ou T'
1 qui sont à limite entre une zone d'échange, et une zone adiabatique reçoivent des
débits adventices de valeur finie. La colonne de gauche Cg (bouilleur entre Tg
0 et T'g
0, condenseur entre T'g
l et Tg
1, débit des caloporteurs Mg
0, Mg
1) est la colonne inverse de la colonne de droite. Ce terme inverse est expliqué plus
loin. On note que les dispositions qui ont été prises pour la colonne de droite lui
confèrent un fonctionnement entièrement réversible.
[0045] La colonne de gauche est à plus basse pression Pg et par suite à plus basse température
; elle reçoit en sens inverse les débits adventices de la colonne de droite dans des
sections homologues où règne la même concentration liquide à l'équilibre. Elle comporte
les mêmes caractéristiques générales de fonctionnement que la première colonne notamment
en ce qui concerne les échanges avec les dm.
[0046] . Les échanges de masse donnent lieu à l'arrivée d'un dm dans une section à même
concentration, même température.
[0047] . Les échanges-de chaleur se font à température constante. Dans la machine monoétagée
que nous examinons actuellement, la pression Pg est établie de façon telle que Tg
0 = T
1. Ainsi, l'ensemble des deux colonnes couvre de façon continue le domaine de température
T
0 Tg
1 ; on trouve une seule colonne à chaque température.
[0048] Cg sera la colonne inverse de C
d si toutes les grandeurs du type "flux" (débits, échanges de chaleur, etc...) sont
égales et de signe contraire dans toutes sections homologues. Examinons à quelles
conditions Cg est effectivement colonne inverse de C
d.
[0049] A cet effet écrivons les équations pour la tranche T'g Tg homologue de T' T



dqg est l'apport de chaleur extérieure Cg sera inverse de C si si toute section à
température Tg est inverse de son homologue à température T. Supposons que la section
T'g soit inverse de T
I :

la section Tg sera inverse de la section T si les solutions Lg, Vg, dm (tg) du système
(1) + (2) + (3) sont telles que Lg = L, Vg = V, dm (Tg) = dm (T). Pour qu'il en soit
ainsi il faut :

Les conditions 1 signifient que les diagrammes de Merckel établis pour les pressions
Pg et P se déduisent l'un de l'autre par une translation. Cette propriété n'est pas
loin d'être réalisée dans la pratique pour la plupart des diagrammes de mélange, bien
qu'elle ne le soit pas strictement ; c'est en quelque sorte une '"propriété à la limite"
analogue au concept de gaz parfait ; nous dirons que dans ce cas que le diagramme
de Merckel est idéal (à notre point de vue).
[0050] Pour finir on voit que l'association de deux colonnes telles que décrites ci-dessus
ne peut donner lieu à un fonctionnement strictement réversible que dans un diagramme
de Merckel idéal.
[0051] La condition 2 s'interprète ainsi :
Si on apporte à une colonne de la chaleur suivant une distribution donnée, on suscite
dans la colonne inverse l'apparition d'un "besoin de chaleur" suivant une distribution
inverse, que nous dénommerons "chaleur induite".
[0052] Ainsi, dans la figure 4, l'apport de chaleur Q
0 le long du domaine T
0 T'
0 par un caloporteur M
0 induit une chaleur de même valeur Qg
0 = Q
0 entre Tg et Tg'
0, qu'on doit prélever au niveau de l'utilisation ; de même l'apport Qg
1 entre T'g
1 et Tg
1 induit la chaleur Q = Qg
1 entre T'
1 et T
1 qu'on doit également évacuer. Remarquons que l'on pourrait aussi bien considérer
Q , comme induite par Qg , et qu'il s'agit donc bien d'un couplage entre les caloporteurs
M et Mg .
[0053] La propriété qu'on vient de décrire est considérée comme essentielle, pour cette
raison on dénomme les machines qui dérivent de ce principe "machine à inductions thermique".
[0054] On peut encore dégager quelques propriétés de ces systèmes :

2/ La position de l'utilisation par rapport aux sources résulte de la construction
(figure 5) sur le diagramme de Merckel ; elle est rigide et seule cette position est
de nature à assurer un fonctionnement réversible ; il faut donc la considérer comme
une sorte de point nominal ; l'étude des fonctionnements hors du point nominal n'aura
de sens qu'à propos des machines réelles.
[0055] Les dispositifs multiétagés sont ceux où les deux colonnes, continuant de fonctionner
de façon analogue à précédemment, peuvent avoir un intervalle de température en commun
(figure 6).
[0056] Lorsqu'on entreprend de calculer un tel système pas par pas en partant de T 0, on
doit décider à partir de T
1 d'une procédure différente de celle décrite précédemment.
[0057] Plaçons nous au stade du calcul à une température T située dans une zone commune
aux deux colonnes. Supposons que tous les débits adventices jusqu'à T' aient déjà
été calculés pour la colonne de droite ; la colonne de gauche en est déjà pourvue
jusqu'à T'g. Pour calculer la tranche T T', on doit maintenant écrire :
. 2 équations de débit pour la colonne de gauche (inconnues Lg, Vg)
. 2 équations de débit pour la colonne de droite (inconnues L, V, dm(T))
. 1 équation d'enthalpie pour l'ensemble du système compris entre T et T', c'est-à-dire
les deux colonnes et l'ensemble des débits adventices. Soit 5 équations linéaires,
5 inconnues, on peut donc de proche en proche trouver la solution (structure des débits
L, V, Lg, Vg, dm).
[0058] Dans cette façon de faire on perd de vue comment les échanges entre colonne et faisceaux
de dm sont effectués. Nous cherchons maintenant à éclairer ce dernier point.
[0059] Pour y parvenir on va s'efforcer d'identifier dans le système multiétagé de la figure
6, les systèmes monoétagés qui en sont constitutifs.
[0060] A cet effet, on établit dans le système une coupure suivant la figure 7, qui interrompt
la continuité des débits L
1, V
1, L
1g, V
1g, et on installe aux limites des deux systèmes S et S' ainsi constitués en 1, 1',
1g, 1'g, des condenseurs et évaporateurs, et on referme les débits liquides m
12 m'1 entre colonnes homologues (figure 8). Par hypothèse 1, 1', 1g, 1'g sont des écarts
de température très faibles ; les échangeurs situés de part et d'autre de la coupure
(condenseurs et évaporateurs 1, 1', 1g, 1'g) ont des fonctionnements inverses. Si
on recolle la coupure on retrouve la figure 6. Si on la maintient, on voit S et S'
fonctionner de la même façon (structure des débits L, V, Lg, Vg, dm, identiques à
l'apparition près des débits m
1,
m'
1).
[0061] Du point de vue des échanges de chaleur avec les colonnes, les débits m
1 et
•m
1, sont équivalents à :

[0062] Dans le système S, m
•1 réchauffe la colonne 0g1g qui lui est associée ; dans le système S', c'est la colonne
1'2 qui réchauffe m
•1.
[0063] Si nous revenons au système primitif en recollant la coupure tous les éléments de
notre constructions disparaissent ; il reste que l'existence fictive des débits m
•1 précédents étaient révélateurs d'une cession de chaleur de la colonne 12 à la colonne
0g1g, équivalente à la circulation en circuit fermé du caloporteur m
•1 = L
1 - V
1 (voir figure 9).
[0064] Le raisonnement que l'on vient de tenir est indépendant de tout ce qui peut se passer
par ailleurs dans le système, et notamment :
. La colonne 01 est certainement munie d'une source de chaleur ; on va donc trouver
nécessairement sur la colonne 0g1g la distribution de chaleur induite. On aura le
choix entre :
. La fournir directement à une utilisation,
. La céder à la colonne en vis-à-vis entre les mêmes températures ; dans ce cas cette
distribution de chaleur sera induite une nouvelle fois sur la colonne de gauche et
ainsi de suite.
[0065] Les machines multiétagées sont construites à l'aide d'un jeu de construction dont
on va préciser les règles en terminant la machine qu'on a commencé.
[0066] A partir du tronçon de départ 01, (figure 10), beaucoup de choses sont déjà déterminées
et notamment :
. le tronçon inverse Og1g.
. Le tronçon direct en vis-à-vis 12. On les construit sur le diagramme de Merckel
comme des marches d'escalier entre les courbes x(T) correspondant aux pressions P
et Pg (figure 11).
[0067] Toujours suivant cette construction en marches d'escalier on peut représenter la
distribution de chaleur Q
0 selon 00' par une suite d'inductions et d'échanges en vis-à-vis jusqu'à ce que finalement
elle sorte de la colonne de gauche (par exemple en 1g 1'g).
[0068] De même Q
2 introduite en 3g 3'g ressortira de C en 22' ; le système est quadritherme ; pour
le rendre tritherme il faut prévoir les marches d'escalier pour que Q
0 et Q
2 sortent du système dans le domaine de température prescrit pour l'utilisation.
[0069] Il n'a été décrit jusqu'ici que des machines théoriques.
[0070] On va maintenant décrire divers modes de réalisation de machines réelles. Les machines
réelles se distinguent des machines théoriques par les deux points suivants :
- les diagrammes de Merckel des fluides utilisés dans les machines réelles ne sont
pas des diagrammes parfaits
- le nombre de débits adventices est fini.
[0071] Il a été calculé, au moyen de programmes numériques, des machines trithermes réelles
dans lesquelles le liquide et la vapeur évoluent légèrement hors d'équilibre pour
permettre aux bilans enthalpiques d'être satisfaits.
[0072] Il en résulte un léger écart du COA réel par rapport au COA théorique (dans l'exemple
ci-après 1,91 au lieu de 1,95).
[0073] Une machine réelle, dans son mode de représentation conventionnelle, apparaît dans
la figure 12 et plus en détail dans la figure 13, tandis que la figure 14 la représente
dans une configuration de construction réelle.
Figure 12
[0074] La machine comprend une colonne Kd et une colonne Kg, fonctionnant avec un mélange
de R113 et R114.
[0075] La colonne Kd reçoit de la chaleur Q
0 entre les températures T
0 et T'
0 et fournit de la chaleur Q'
1 entre les températures T'
i et T
1.
[0076] La colonne Kg fournit de la chaleur Q"
1 entre Tg
0 (
= T'
1) et T'g
0 (
=T1) et reçoit de la chaleur Q
2 entre les températures T'g
1 et Tg
1
[0077] Il existe cinq débits adventices : un premier débit m
0, de
Kd à T
0 vers
Kg à Tg
0 échangeant de la chaleur à à T constant avec un second débit m'
0 de Kg à T'g
0 à
Kd à T'
0i un troisième débit m
1 de Kd à T
1 (= Tg
0) à Kg à Tg
1 échangeant de la chaleur avec un quatrième débit m'
1 de Kg à T'g
1, un cinquième débit m
m de Kg à Kd échangeant de la chaleur avec Kg de Tg
m à Tg
1 et avec Kd de Tg
0 (= T
1) à Tg, Tg
m et T
g étant sensiblement les températures intermédiaires des colonnes Kg et Kd.
Figure 13
[0078] La figure 12 établie avec les conventions établies page 9 à partir de la ligne 26.
La figure 13 explicite ce schéma en mettant en évidence les composants qui réalisent
les échanges thermiques. La convention relative à l'axe des températures subsiste.
On voit qu'il est nécessaire d'utiliser quatre échangeurs E
1, E
2, E
3, E
4
[0080] Chaque échangeur est du type à contre-courant et travaille à différence de température
constante en chaque point.
[0081] Des pompes P
1, P
2, P
3 assurent la circulation des liquides.
Figure 14
[0082] La figure 14 représente, avec ses composants sur pieds, la machine tritherme représentée
schématiquement dans les figures 12 et 13. Les conventions relatives aux axes de températures
et de pesanteur sont abolies pour faire place à des conventions classiques de représentation.
[0083] On a isolé les portions de colonnes échangeant de la chaleur avec l'extérieur, à
savoir :
- un bouilleur BD et un condenseur Cd pour la colonne Kd
- un bouilleur Bg et un condenseur Cg pour la colonne K .
La colonne Kd est à haute pression (5 bars) alors que la colonne Kg est à la pression atmosphérique.
Les indications numériques à côté des bouilleurs et condenseurs correspondent à l'échange
de chaleur avec l'extérieur exprimé en kilowatts.
Les flèches noires indiquent les débits liquides en litre par seconde.
Les flèches en tiretés représentent les flux vapeur.
Les températures de fonctionnement sont les suivantes :

[0084] On observe que les écarts de température aux extrémités des éléments d'échange thermique
avec l'extérieur (bouilleurs, condenseurs) est de l'ordre de 0,5 degré. On utilise
donc des bouilleurs et condenseurs classiques.
[0085] Les échanges internes de la machine, mettant en jeu le fluide de travail, sont les
suivants :

[0086] Les échanges internes, dans cet exemple, sont trois fois plus élevés que la puissance
d'utilisation, mais les échanges avec les colonnes sont très faibles (de l'ordre de
7%).
[0087] On voit que les machines à induction trithermes sont constituées technologiquement
par l'assemblage de plusieurs types de sous-ensembles
- des bouilleurs et condenseurs classiques à mélange
- des échangeurs liquide-liquide à contre-courant où circule le fluide de travail
liquide
- des accessoires tels que pompes et laminages liquides
- des dispositifs constitués par des colonnes à contact équipées d'échangeurs. Ces
dispositifs sont en fait constitués par la juxtaposition en série sur le liquide et
la vapeur du fluide de travail d'éléments de transfert thermique que nous avons décrits
en début de ce mémoire dans ses principes. Nous décrirons ces éléments plus loin sous
l'aspect de leur mode de réalisation technologique.
[0088] Les figures 15 et 16 sont deux schémas d'une variante de réalisation de la machine.
[0089] Dans ces deux figures, les conventions relatives à l'axe unique des températures
dirigé vers le bas et à l'axe de pesanteur sont reprises.
[0090] La figure 15 montre que :
- les écarts des températures des bouilleurs et des condenseurs est de 5°C environ,
- on a conservé le même nombre et la même disposition pour les débits adventices.
[0091] La figure 16 est une représentation conventionnelle plus détaillée, dans laquelle
on fait intervenir les Δ T d'échange des divers échangeurs.
[0092] On retrouve les bouilleurs, condenseurs et échangeurs de la figure
14, mais avec les notations ci-après : E
01,
E12' E
m1, E
1m.
[0093] De plus, on adjoint à la machine :
- un échangeur Esup de faible puissance
- un flash F à l'entrée du bouilleur B .
[0094] En effet, dans la partie haute température du cycle, le Δ T d'échange dans l'échangeur
Q
e01 est égal à l'intervalle de température du bouilleur T
0-T'
0. De la même façon les Δ T d'échange pour l'ensemble du cycle à haut niveau s'organisent
d'eaux mêmes. A bas niveau de température, la situation des échangeurs s'inverse,
car le compartiment d'échangeur réchauffant se trouve à une température inférieure
à celle du compartiment réchauffé.
[0095] On corrige cette situation en utilisant un échangeur supplémentaire (de puissance
faible) et en réalisant un petit flash de 5°C du fluide de travail qui rentre dans
le bouilleur Bg.
[0096] Les puissances échangées sont :

[0097] Les échanges internes par échangeurs liquide-liquide représentent environ 40% de
la puissance utile ; les échanges dans les colonnes représentent environ 17% de la
puissance utile.
[0098] Ces deux exemples indiquent comment et avec quel ordre de grandeur l'intervalle de
température des sources extérieures agissent sur les échanges internes :
Quant on se rapproche des échanges isothermes (Δ T petit), les échanges internes liquide-liquide
deviennent très importants par rapport à la puissance thermique du système en même
temps que les échanges avec les colonnes diphasiques deviennent évanescents.
[0099] Pour A T = 5°, les échanges liquide-liquide internes sont faibles, cependant que
les échanges avec les colonnes ne sont pas encore prohibitifs et paraissent réalisables
avec des moyens technologiques existants.
[0100] Les figures 17 et 18 illustrent un autre exemple de machine dans laquelle les sources
de chaleur échangent avec l'extérieur avec un grand écart de température (de l'ordre
de 11°C). On note :
. qu'il n'y a plus que quatre débits adventices ; celui dénommé mm dans les exemples précédents est devenu inutile.
. que les deux colonnes K et Kg comprennent des parties importantes à co-courant, telles que le système vu sur pied
comprendrait 4 colonnes.
[0101] Le schéma explicite fait apparaitre trois échangeurs liquide-liquide de puissance
:



donc au total 195 kW, valeur devenue faible par rapport à la puissance utile 982 kW.
[0102] Examinons les échanges avec colonnes diphasiques le long des différents éléments
de transfert :

[0103] Enfin 2281 kw sont échangés directement avec la colonne diphasique dont 1971 avec
les caloporteurs extérieurs, 310 avec le fluide de travail.
[0104] On notera les conclusions ci-après :
Les intervalles de température d'échange avec les sources extérieures confèrent à
la technologie des machines certains certains caractères contrastés :
- les machines échangeant avec des sources isothermes au niveau de bouilleurs et condenseurs
relativement classiques comprennent par ailleurs :
. des échanges liquide-liquide importants.
. des échanges dans les colonnes de faible importance.
- les machines échangeant avec des caloporteurs de chaleur sensible comprenant des
échanges caloporteurs-colonne tout à fait prépondérants.
[0105] A ces deux types de machine, il faudra apporter des solutions technologiques différentes
pour les échanges entre colonne et caloporteurs.
[0106] Pour les machines échangeant avec des sources isothermes une colonne réalisée selon
le schéma de la figure 19 peut être utilisé.
[0107] Elle comprend un garnissage classique G (anneaux Raschig par exemple) ; le circuit
caloporteur C
c comporte une succession de serpentins horizontaux tels que 5, placés à différents
niveaux discrets.
[0108] Pour les machines échangeant avec des sources sensibles, qui nécessitent un échange
plus important, on utilisera, de préférence, un échangeur comme celui de la figure
20.
[0109] Le fluide diphasique circule dans des tubes T munis d'un garnissage ou d'un ressort
spirale ; le fluide caloporteur circule entre les tubes. On obtient ainsi un maximum
de surface d'échange avec une perte de charge très faible.
[0110] Les trois exemples de réalisation qui ont été donnés en référence aux figures 12
à 14, 15 et 16, 17 et 18 respectivement concernent des machines monoétagées dans lesquelles
on fournit de l'énergie à haut niveau de température, on prélève de l'énergie d'une
source à bas niveau de température (tel que nappe phréatique) et on obtient de l'énergie
à température intermédiaire.
[0111] Le schéma de la figure 21 représente une machine tritherme qui reçoit de l'énergie
thermique Q
i1, Q
i2 à température intermédiaire T
1, T'
1, T
1, T'g
o et fournit des calories Q
h à haut niveau de température T
o, T'
0 tout en rejetant de l'énergie Q
b à bas niveau de température T
2, T'
2. Ceci résulte de la parfaite réversibilité de la machine et des propriétés d'induction
thermique qui existent dans les deux sens de fonctionnement possible.
[0112] Les figures 22A et 22B représentent de manière schématique pour 22A, et plus détaillée
pour 22B une machine multiétagée à deux colonnes ; il s'agit d'une machine qui utilise
un mélange d'ammoniac et d'eau. Le domaine commun de température des colonnes est
59°C - 238,25°C.
[0113] La colonne de droite G
d est équipée d'un bouilleur B
0 recevant la chaleur (1925 kW) à haut niveau de température, d'un bouilleur B1 recevant
2300 kW du condenseur C
1 de la colonne de gauche, et d'un condenseur C'
1 cédant 2700 kW à l'utilisation à niveau thermique intermédiaire ; la colonne de gauche
est équipée d'un condenseur C
1 à haut niveau cédant 2300 kW au bouilleur B
1 de la colonne de droite, d'un condenseur C
2 cédant 2400 kW à l'utilisation et d'un bouilleur B à bas niveau recevant 3175 kW
d'une ressource à bas niveau.
[0114] Dans le schéma plus détaillé de la figure 22B, on voit les débits adventices échangeant
dans les échangeurs E
0 et E
1.
[0115] On remarque la présence d'un échangeur EBC qui fait bouillir le fluide de travail
de la colonne de droite et condense le fluide de travail de la colonne de gauche.
[0116] La figure 23C est un autre mode de réalisation de machine multiétagée obtenue par
superposition des machines monoétagées 23A et 23B :
- l'une 23A ayant une colonne à pression P, températures T0 à T1 et une colonne à pression Pg et températures T1 à T2
- l'autre 23B ayant une colonne à pression Pg et températures T1 T et une colonne à pression P'g et températures T3 à T4. En pratique, T4 est très voisin de T2 et, en tout état de cause, on peut choisir T3 pour que T4 soit égal à T2.
[0117] La première machine reçoit les chaleurs Q
1 et Q'
1 à T
0 et T
2 respectivement et fournit Q
1 + Q'
1 à
T1.
[0118] La seconde machine reçoit Q
•1 à T
1 et Q"
1 à T
2 respectivement et fournit Q
•1 + Q"
1 à T
3.
[0119] Rien n'interdit d'inclure dans une colonne unique les deux portions de colonnes des
deux machines fonctionnant entre T
1 et T
3.
[0120] On obtient la machine de la figure 23C qui reçoit Q
1 à T
0, Q'
1 + Q"
1 à T
2 et fournit 0 à T et Q. + Q"
1 à
T3.
[0121] On a réalisé ainsi simplement une machine multiétagée.
[0122] Il est possible de réaliser sur la base des mêmes principes décrits précédemment,
des machines à induction thermique avec travail extérieur.
[0123] Ce sont des machines à deux sources ; le travail peut être fourni par une turbine
(production d'énergie), ou absorbé par un compresseur (pompe à chaleur) suivant le
sens des échanges avec les sources à haut et bas niveau.
[0124] On peut les construire en partant des schémas trithermes ; partons par exemple de
la figure 24, représentant deux systèmes de transfert thermique à deux éléments chacun,
induisant mutuellement l'un dans l'autre, l'un à haute pression P, l'autre à pression
basse Pg.
[0125] On a figuré les échanges thermiques entre colonnes et sources extérieures, ainsi
que les débits adventices. Pratiquons une coupure entre les deux éléments de chaque
système comme indiqué par le trait mixte. On obtient les systèmes des figures 25 et
26, avec en bas de la figure 25 et en haut de la figure 26 les flux V, Vg et L, Lg
de vapeur et de liquide du fluide de travail.
[0126] Considérons la seule figure 26.
[0127] Si on referme le circuit vapeur V par une turbine Tu qui détend le gaz de P à Pg
et fournissant du travail, et si on relie les flux liquide par une liaison Li échangeant
de la chaleur q avec le débit adventice m
1, pour réchauffer le débit L, on obtient une machine (figure 27) fournissant du travail
extérieur (w = q) en restituant de la chaleur à bas niveau de température.
[0128] La figure 28 est la machine inverse de la machine de la figure 27, recevant de la
chaleur Qo à bas niveau, recevant du travail W par un compresseur Co et fournissant
de la chaleur Q'o = Qo + W à haut niveau de température.
[0129] C'est une pompe à chaleur.
[0130] La figure 29 représente une pompe à chaleur où la compression s'effectue avec la
vapeur circulant entre les colonnes à haut niveau, que l'on à construite en partant
du schéma de la figure 25.
[0131] La figure 30 est la figure inverse de 26 ; associée à un système comme celui de la
figure 25, elle permet de construire une pompe à chaleur comme celle de la figure
31, où les effluents sont transférés d'une colonne à l'autre à niveau moyen de température.
[0132] On peut donc construire des pompes à chaleur à induction thermique avec compression
à bas, moyen, ou haut niveau de température.
[0133] Le caractère général des procédés utilisés en référence aux figures 24 à 32 montre
qu'on peut non seulement élaborer des pompes à chaleur, mais également obtenir du
travail à partir de sources de chaleur sensible.
[0134] Les pompes à chaleurs des figures 28 et 29 ont des circuits caloporteurs dont les
écarts de température A T sont égaux et dans la continuité l'un de l'autre.
[0135] Il est possible de séparer les caloporteurs par des écarts multiples de Δ T. Considérons
la figure 32 représentant schématiquement une machine quadritherme et effectuons une
coupure selon la ligne en trait mixte. On conserve la partie supérieure (figure 33)
; on ferme le circuit de vapeur par un compresseur Co et le circuit de liquide par
une liaison Li échangeant avec le débit adventice m1 (figure 34) .
[0136] On a ainsi obtenu une pompe à chaleur où les caloporteurs sont séparés de à
T.
[0137] On pourrait en principe séparer de 2, 3,..., n fois à T ; mais en fait cela est irréaliste
car les échanges internes du système deviennent rapidement prohibitifs. On trouvera
plus loin un procédé plus économe en surfaces d'échange pour obtenir le même résultat
(mais en revanche multiétagé en pression).
[0138] Les machines qu'on vient de décrire ont le même caractère de réversibilité que les
machines trithermes au détail près de la compression (ou détente) humide ou surchauffée.
Si l'on utilise comme fluide de travail un mélange du type R112 + R113, on peut dans
une certaine mesure choisir le long des colonnes un point de transfert de la vapeur
(à bas, moyen, ou haut niveau) pour que l'état de la vapeur à la réinjection soit
à peu près saturant. Par ailleurs, leur fonctionnement à le même caractère de rigidité
au point nominal ; cependant, dès lors qu'on s'autorise non plus seulement à échanger
entre les-colonnes des débits adventices de liquide, mais qu'on recourt également
à des transports de vapeur, on peut construire des configurations de machines réversibles
au point nominal, capable d'associer des circuits caloporteurs quelconque ; la figure
35 en donne un exemple.
[0139] Les machines à induction thermique à travail extérieur qu'on a examinées jusqu'ici
ne comportent que deux colonnes.
[0140] Les machines qu'on a étudiées jusqu'ici ne comportaient que deux colonnes ; on peut
envisager des morphologies qui en comportent un nombre supérieur.
[0141] La figure 36 représente une telle réalisation ; on reconnait à droite de cette figure
une machine identique à celle de la figure 28, fonctionnant entre P et P1 ; elles
transfère Q'
0 au niveau des colonnes Cgo et C
1 à une machine de même type fonctionnant entre P
1 et P
2 ; Cgo et C
1 fonctionnant à même pression P
1 et entre les mêmes températures T
1 et T
2 peuvent être superposées (figure 37) : l'ensemble Cgo, C
1, M'
o fait place à la colonne C'
1 dont le fonctionnement résulte de la superposition des colonnes directe et inverse
C
0 et C
1, respectivement d'activité thermique Q
0 et Q'
0 ; l'activité thermique de C'
1 est donc Q
0 - Q'
0 = ; c'est donc une activité faible et C'
1 est une petite colonne auxiliaire.
[0142] Un autre exemple figures 38 et 39 ; mêmes dispositions que précédemment ; de plus
le caloporteur m
0 réchauffe C
1 ; la colonne C'
1 (figure 39) est le siège de l'activité thermique 2Q
0-Q'
0 = Q
0 +q1.
[0143] Il est commode de représenter les machines multiétagées sur des diagrammes où l'on
porte en abscisse la pression, la température vers le bas (comme d'habitude) ; les
isocentrations x = constante sont telles que représentées figure 40.
[0144] On peut généraliser les dispositions de la figure 39 à une machine à 4 étages (figure
41) ou à six étages (figure 42). On a figuré dans les dessins les axes de pression
et de température. Le cycle est un cycle sans flash de production d'énergie à partir
de ressources de chaleur sensible (par exemple géothermales).