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(11) | EP 0 147 770 A2 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Machine a induction thermique |
| (57) Machine à induction thermique en vue de mettre en relation des ressources thermiques
et des utilisations thermiques (Qo, Q1, Q'i, Q2), afin de valoriser l'énergie des ressources ledit dispositif fonctionnant de façon
très proche de la réversibilité avec un fluide de travail binaire 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 liquides et vapeur du fluide de travail, ledit premier ensemble comprenant une première colonne (Kd) à contact 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 (Kg) à contact diphasique, la seconde colonne travaillant à une seconde valeur de pression inférieure à la première valeur, des débits adventices (mo, m'0, m,, m',) étant établis entre les deux ensembles aux bornes des éléments homologues, toutes les parties du dispositif ayant une température comprise entre deux valeurs quelconques (colonnes, débits adventices) 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. |
[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.
[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.
[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 T2 ; le corps B, à pureté contrôlée, s'écoule liquide en fond de colonne à température To ; une partie part à la production PB, 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 PA, 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.
[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 T2, 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 T2 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 T2g avec une zone commune de température T1 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.
[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 Cd 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 Q0 de l'extérieur (par exemple d'un caloporteur Mo), et dont on extrait un débit liquide m0 à To.
[0042] La région à bas niveau est un condenseur qui rejette à l'extérieur une chaleur Q1 entre T1 et T1, (par exemple vers un caloporteur M1,) et dont on extrait un débit de condensat m1 à T1.
[0043] Cette colonne comporte tout au long de son domaine de température T0T1 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 Tg0 et T'g0, condenseur entre T'gl et Tg1, débit des caloporteurs Mg0, Mg1) 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 Tg0 = T1. Ainsi, l'ensemble des deux colonnes couvre de façon continue le domaine de température T0 Tg1 ; on trouve une seule colonne à chaque température.
[0048] Cg sera la colonne inverse de Cd 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 Cd.
[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 TI :
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 Q0 le long du domaine T0 T'0 par un caloporteur M 0 induit une chaleur de même valeur Qg0 = Q0 entre Tg et Tg'0, qu'on doit prélever au niveau de l'utilisation ; de même l'apport Qg1 entre T'g1 et Tg1 induit la chaleur Q = Qg1 entre T'1 et T1 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 T1 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 L1, V1, L1g, V1g, 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 m12 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 m1, m'1).
[0061] Du point de vue des échanges de chaleur avec les colonnes, les débits m1 et •m1, 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 = L1 - V1 (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 Q0 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 Q2 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 Q0 et Q2 sortent du système dans le domaine de température prescrit pour l'utilisation.
[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 Q0 entre les températures T0 et T'0 et fournit de la chaleur Q'1 entre les températures T'i et T1.
[0076] La colonne Kg fournit de la chaleur Q"1 entre Tg0 (= T'1) et T'g0 (=T1) et reçoit de la chaleur Q2 entre les températures T'g1 et Tg1
[0077] Il existe cinq débits adventices : un premier débit m0, de Kd à T0 vers Kg à Tg0 échangeant de la chaleur à à T constant avec un second débit m'0 de Kg à T'g0 à Kd à T'0i un troisième débit m1 de Kd à T1 (= Tg0) à Kg à Tg1 échangeant de la chaleur avec un quatrième débit m'1 de Kg à T'g1, un cinquième débit mm de Kg à Kd échangeant de la chaleur avec Kg de Tgm à Tg1 et avec Kd de Tg0 (= T1) à Tg, Tgm et Tg 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 E1, E2, E3, E4
[0080] Chaque échangeur est du type à contre-courant et travaille à différence de température constante en chaque point.
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.
[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 : E01, E12' Em1, E1m.
[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 Qe01 est égal à l'intervalle de température du bouilleur T0-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.
[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 Cc 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 Qi1, Qi2 à température intermédiaire T1, T'1, T1, T'go et fournit des calories Qh à haut niveau de température To, T'0 tout en rejetant de l'énergie Qb à bas niveau de température T2, 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 Gd est équipée d'un bouilleur B0 recevant la chaleur (1925 kW) à haut niveau de température, d'un bouilleur B1 recevant 2300 kW du condenseur C1 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 C1 à haut niveau cédant 2300 kW au bouilleur B1 de la colonne de droite, d'un condenseur C2 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 E0 et E1.
[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 Q1 et Q'1 à T0 et T2 respectivement et fournit Q1 + Q'1 à T1.
[0119] Rien n'interdit d'inclure dans une colonne unique les deux portions de colonnes des deux machines fonctionnant entre T1 et T3.
[0120] On obtient la machine de la figure 23C qui reçoit Q1 à T0, Q'1 + Q"1 à T2 et fournit 0 à T et Q. + Q"1 à T3.
[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.
[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 m1, 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.
[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) .
[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 C1 à une machine de même type fonctionnant entre P1 et P2 ; Cgo et C1 fonctionnant à même pression P1 et entre les mêmes températures T1 et T2 peuvent être superposées (figure 37) : l'ensemble Cgo, C1, M'o fait place à la colonne C'1 dont le fonctionnement résulte de la superposition des colonnes directe et inverse C0 et C1, respectivement d'activité thermique Q0 et Q'0 ; l'activité thermique de C'1 est donc Q0 - 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 m0 réchauffe C1 ; la colonne C'1 (figure 39) est le siège de l'activité thermique 2Q0-Q'0 = Q0 +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).
- un premier ensemble direct d'éléments de transfert thermique mis en série sur les débits liquides et vapeur du fluide de travail, ledit premier ensemble comprenant une première colonne (Kd) à contact 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 (Kg) à contact diphasique, la seconde colonne travaillant à une seconde valeur de pression inférieure à la première valeur, des débits adventices caloporteurs (m , m' , m1, m'1). étant établis entre les deux ensembles aux bornes des éléments homologues, toutes les parties du dispositif ayant une température comprise entre deux valeurs quelconques (colonnes, débits adventices) 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.
- une première paire reliant les extrémités conjuguées du premier bouilleur et du second condenseur et échangeant de la chaleur dans un premier échangeur (E1) 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 (E2) 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 (E3) 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 (E4) à contre-courant.
- une première paire reliant les extrémités conjuguées du premier bouilleur et du second condenseur et échangeant de la chaleur dans un premier échangeur (E1) 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 (E2) 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 (E3) 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 (E4) à contre-courant.