EP0147770A2 - Thermal induction machine - Google Patents

Abstract

The machine for the more effective utilisation of heat uses a working substance which is a mixture of two pure substances with different boiling points. The machine has two columns (Cd,Cg) operating at different pressures. In the first column a quantity of heat (Qo) is supplied to the base of the column. This heat causes one of the components of the working substance to evaporate and flow to the upper part of the second similar column (Cg) which operates in a reverse manner. Quantities of heat are transferred between the two columns at different heights above the base of each column.

Description

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.The present invention relates to a thermal induction machine for relating thermal resources to thermal uses, with a view to enhancing the thermal energy of the resources.

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.We know the need to save energy. One way to do this is to use the existing enthalpy resources and make them evolve from their current temperature to a temperature of use, retaining their exergy content. As an example of an enthalpy resource at a high temperature, we can cite water vapor at 500 ° C from a thermal power plant. The current means of conserving the exergy of this resource as much as possible is to use a turbine which will produce mechanical energy transformable into electrical energy.

On voit que la mise en oeuvre exige des investissements importants.We see that the implementation requires significant investments.

Un autre exemple est celui d'une source enthalpique à bas niveau de température (rejet thermique d'usine, par exemple eau à 45°).Another example is that of an enthalpy source at a low temperature level (factory thermal rejection, for example 45 ° water).

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.The enthalpy content of this source can be used, for space heating for example, by increasing its temperature up to 80 ° by means of a heat pump.

Les pompes à chaleur conventionnelles à fluide de travail comprimé ont un coefficient de performance médiocre.Conventional compressed work fluid heat pumps have a poor coefficient of performance.

Elle nécessitent des éléments dynamiques (compresseurs) sujets à usure et à entretien.They require dynamic elements (compressors) subject to wear and maintenance.

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.Absorption heat pumps use a static process, but their performance is inherently poor due to the structure of their thermal cycle.

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.An object of the invention is to provide a thermal machine using only quasi-reversible heat exchanges, so as to avoid degradation of the exergy content of the thermal resources used.

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.Another object of the invention is to produce a machine which either only comprises static means, therefore robust and not very subject to wear, or combine static and dynamic means, but with an energy efficiency much higher than that provided by systems which follow known thermal cycles.

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.An object of the invention is to provide a reversible thermal machine, that is to say capable of receiving thermal energy at a medium temperature level and recovering this energy by bringing it to high temperature, as well as receiving energy at low and high level and supply it at intermediate level.

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.Another object is to produce thermal devices whose manufacturing costs are significantly lower compared to thermal machines of the same power.

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.To fully understand the structure and operation of the thermal device of the invention, it is necessary to recall some thermodynamic notions and to give a certain number of definitions.

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.The initial idea which led to the device of the invention is that it is possible to carry out quasi-reversible static heat transfers. This notion of quasi-reversible static heat transfer originates from the study of distillation.

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.FIG. 1 schematically represents a distillation column 1 for the distillation of a mixture of two bodies A and B, A being the most volatile. The column is associated with a boiler 2, and with a condenser 3. The temperature axis T is directed towards the bottom of the figure.

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 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.The mixture A + B is introduced in the middle of the column at a temperature T ₂ ; body B, with controlled purity, flows liquid at the bottom of the column at temperature T _o ; one part goes to production P _B , the other is evaporated in the boiler 2; the enthalpy content of the vapor thus produced is distributed along the column; when this vapor arrives at the head of the column at temperature T, it contains the body A of controlled purity; it is then condensed; part of A leads to production P _A , the other (reflux) is returned to the column. The arrow V represents the steam flow and the arrow L the steam flow in a section S (T) of the column at the temperature T.

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.

We usually follow the physical operations involved in the Merkel diagram; this diagram (figure 2) includes for each pressure:

• . the balance zones, concentration x (T) liquid and y (T) vapor of body A.
• . the enthalpy h (liquid) and H (vapor) of the mixture as a function of the concentrations.

Les correspondances entre ces grandeurs sur le diagramme sont indiquées dans la figure 2.The correspondences between these quantities on the diagram are indicated in figure 2.

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.It is easy to be convinced that the distillation thus carried out cannot be reversible: by writing between two column sections the three conservation equations (flow A, flow A + B, enthalpy) we realize that they cannot be all three checked simultaneously; consequently, in conventional distillation with lagged columns, the liquid and vapor phases in contact necessarily evolve out of equilibrium.

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.The Applicant has observed that in order to have thermodynamic equilibrium (that is to say the values of the concentrations of the liquid x and vapor y corresponding to the equilibrium at the pressure pressures considered), at all points, it is necessary to add or remove heat in each column slice. French patent n ° 80 17313 gives an example of the means that can be used to carry out a reversible distillation.

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.The reversible distillation which is carried out in this way is thus characterized in each particular case by a heat distribution Q (t):

as typically shown in Figure 3.

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.

Q (T) has several parts, including:

• - the BC part (exhaustion E) which translates an endothermic activity of the column
• - CD (rectification R) which is exothermic.

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.The portions BC and CD are both arcs of very tense curves which can be assimilated to straight lines, representative of exchanges with external heat transfer circuits at constant specific heat.

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.The reasoning which has just been made in relation to a column to distilling is valid for any type of heat exchanger, in particular for a thermal system constituted for example by a column with packing or with trays fitted, over its entire height, with exchangers traversed by external heat transfer circuits of sensible heat bringing to or extracting from said column the linearized heat distribution ensuring its reversible operation. A column section equipped with an external heat transfer circuit at constant flow rate can be considered as an exchanger comprising a first, two-phase compartment, constituted by the column itself, the second compartment being traversed by the external heat transfer fluid. Such an exchanger is called a heat transfer element.

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.It will be noted that through such an exchanger the flow of energy of all the effluents remains constant as a function of the temperature, to the second order.

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.In the following, we will designate by thermal activity the quantity of heat received or supplied in each heat transfer element to ensure the reversibility of thermodynamic phenomena for each temperature level T.

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.

A heat transfer element is defined by:

• - the nature of the two-phase mixture used
• - the liquid working fluid and vapor flow rates of the first compartment
• - the operating pressure of the exchanger
• - the values of the temperatures between which the fluid evolves in the element.

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.We deduce the calorific powers applied to the element (calorific resources = heat supplied to the system, positive; calorific uses = heat supplied by the systems, negative) and consequently, the nature of the coolant.

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.

To each given heat transfer element (called "direct"), at a given pressure, a "reverse" heat transfer element can be made to correspond to another pressure, in which: _{_}

• - the nature of the two-phase mixture is the same as that of the heat transfer fluid
• - we find in the direct element and the opposite element, in sections counterparts, the same liquid and vapor flow rates at the same concentrations of the constituents of the working fluid, but evolving in opposite directions as a function of the temperature.
• - the sources have the same absolute value for a direct element and an inverse element, but the signs are opposite.

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.

The subject of the invention is a thermal transfer device with a view to relating thermal resources to thermal uses, in order to make use of the energy of the resources without reducing their exergy content, said device operating very close to reversibility with a working fluid consisting of at least two pure miscible bodies and used in two-phase form, characterized in that it comprises:

• a first direct set of heat transfer elements placed in series on the liquid and vapor flow rates of the working fluid, said first set comprising a first two-phase exchange column operating at a first pressure value,
• - a second set of heat transfer elements, said second set being inverse to the first and containing the same number of elements and in particular a second two-phase exchange column, the second column working at a second pressure value lower than the first value , adventitious flows being established between the two sets at the terminals of the homologous elements, all the parts of the device having a temperature comprised between any two values exchanging heat between them, the adventitious flows and their direction being adjusted so that the two columns receive at all points during the exchanges, the quantities of heat corresponding to their thermal activity.

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.In a particular embodiment, the machine comprises a first and second columns continuously covering a temperature range TT ₂ , without overlapping the respective temperature ranges of the columns, the end zones of the columns being all the heat exchange seat with the outside, the zones at temperatures T and T ₂ exchanging in the same direction, the other end zones exchanging in the opposite direction.

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.

In an industrial embodiment corresponding to a single-stage tritherme heat, the machine is characterized in that the first and second columns comprise at their hottest end respectively a first boiler and a second boiler and at their coldest end respectively a first and a second condenser, the boilers receiving the heat from resources external to the device and the condensers supplying heat for use, the adventitious flows comprising:

• - a first pair connecting the conjugate ends of the first boiler and the second condenser and exchanging heat in a first counter-current exchanger,
• - a second pair connecting the conjugate ends of the second boiler and the first condenser and exchanging heat in a second counter-current exchanger,
• a third pair substantially connecting the middle of the first column to the second condenser and exchanging heat in a third counter-current exchanger,
• 
  and a fourth pair substantially connecting the middle of the second column to the first condenser and exchanging heat in a fourth counter-current exchanger.

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.

In an industrial embodiment corresponding to an energy recovery machine available at medium temperature, the first direct column comprises at its hottest end a first condenser providing energy for use, the second reverse column comprising at its coldest end a second condenser providing energy for use, the two columns each comprising at their common temperature a boiler receiving heat from external resources, the adventitious flows comprising:

• - a first pair connecting the conjugate ends of the first boiler and the second condenser and exchanging heat in a first counter-current exchanger,
• - a second pair connecting the conjugate ends of the second boiler and the first condenser and exchanging heat in a second counter-current exchanger,
• - a third pair substantially connecting the middle of the first column to the second condenser and exchanging heat in a third counter-current exchanger,
  and a fourth pair substantially connecting the middle of the second column to the first condenser and exchanging heat in a fourth counter-current exchanger.

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.In another embodiment corresponding to a multi-stage machine, the first and second columns cover a temperature range TT ₂ g with a common temperature zone T ₁ T2, the sources of heat, positive or negative, applied to a column between two given values of temperature inducing in the other column, between the same temperatures, a heat of opposite sign.

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.In another embodiment of the machine, by associating it with a working source (positive by a compressor, negative by a turbine), the machine is characterized in that at least one point of a column, located in a section end of a thermal transfer element constituting said column, is connected to a vapor drawing circuit which transports steam to the homologous point of the reverse column, said circuit comprising a member for carrying the pressure of the vapor of its value at the sampling point at its value at the point of reinjection into said reverse column, the machine comprising means for establishing a liquid flow rate between said sampling and steam reinjection points, so as to obtain equality of liquid flow rates in the peer sections of the associated columns.

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 :The invention will be better understood from the description given below of various embodiments of the invention, with reference to the appended drawing in which:

• La figure 1 représente schématiquement une colonne de distillation classique.FIG. 1 schematically represents a conventional distillation column.
• La figure 2 représente un diagramme de Merkel pour un mélange binaire.Figure 2 shows a Merkel diagram for a binary mixture.
• La figure 3 illustre les échanges de chaleur survenant dans une colonne de distillation effectuant un processus quasi-réversible.Figure 3 illustrates the heat exchanges occurring in a distillation column performing a quasi-reversible process.
• La figure 4 est un schéma de principe d'un dispositif de transfert thermique monoétagé.Figure 4 is a block diagram of a single stage heat transfer device.
• La figure 5 est un diagramme de Merckel se rapportant au dispositif de la figure 4.Figure 5 is a Merckel diagram relating to the availability Figure 4.
• Les figures 6 à 10 sont des schémas de principe expliquant le fonctionnement d'un dispositif de transfert thermique à induction multiétagé.Figures 6 to 10 are block diagrams explaining the operation of a multi-stage induction heat transfer device.
• La figure 11 est un diagramme de Merckel d'un dispositif de transfert thermique à induction, multiétagé.Figure 11 is a Merckel diagram of a multi-stage induction heat transfer device.
• La figure 12 représente schématiquement une machine à induction thermique monoétagée dans un premier mode de réalisation.FIG. 12 schematically represents a single-stage thermal induction machine in a first embodiment.
• La figure 13 est un schéma plus détaillé de la machine de la figure 12.Figure 13 is a more detailed diagram of the machine of Figure 12.
• La figure 14 est une représentation encore plus détaillée de la machine des figures 12 et 13.FIG. 14 is an even more detailed representation of the machine of FIGS. 12 and 13.
• Les figures 15 et 16 sont deux schémas d'une machine à induction thermique monoétagée selon un deuxième mode de réalisation.Figures 15 and 16 are two diagrams of a single-stage thermal induction machine according to a second embodiment.
• Les figures 17 et 18 sont deux schémas d'une machine à induction thermique monoétagée selon un troisième mode de réalisation.Figures 17 and 18 are two diagrams of a single-stage thermal induction machine according to a third embodiment.
• Les figures 19 et 20 représentent deux schémas d'échangeurs utilisés dans les machines de l'invention.Figures 19 and 20 show two diagrams of exchangers used in the machines of the 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.FIG. 21 schematically represents a tritherm machine supplying heat at high and low temperature levels and receiving heat at an intermediate level.
• Les figures 22A et 22B représentent schématiquement une machine monoétagée.Figures 22A and 22B schematically show a single-stage machine.
• La figure 23 représente une machine multiétagée obtenue par la combinaison de deux machines monoétagées représentées dans les figures 22A et 22B,FIG. 23 represents a multi-stage machine obtained by the combination of two single-stage machines represented in FIGS. 22A and 22B,
• Les figures 24 à 26 sont des schémas explicatifs pour l'élabora- _'tion d'une machine à travail extérieur.Figures 24 to 26 are explanatory diagrams for élabora- _'tion of external work machine.
• La figure 27 est un schéma d'une machine à induction thermique fournissant du travail.Figure 27 is a diagram of a thermal induction machine providing work.
• La figure 28 est un schéma d'une pompe à chaleur à induction thermique selon un premier mode de réalisation.FIG. 28 is a diagram of a heat induction heat pump according to a first embodiment.
• La figure 29 est un schéma d'une pompe à chaleur à induction thermique selon une variante.Figure 29 is a diagram of a heat induction heat pump according to a variant.
• La figure 30 est le schéma inverse de celui de la figure.25.Figure 30 is the opposite diagram to that of Figure 25.
• La figure 31 est le schéma d'une pompe à chaleur à induction thermique selon un troisième mode de réalisation.Figure 31 is the diagram of a heat induction heat pump according to a third embodiment.
• Les figures 32 à 34 illustrent la réalisation d'une pompe à chaleur à induction thermique selon un quatrième mode de réalisation.Figures 32 to 34 illustrate the production of a heat induction heat pump according to a fourth embodiment.
• La figure 35 représente schématiquement une pompe à chaleur selon un cinquième mode de réalisation.FIG. 35 schematically represents a heat pump according to a fifth embodiment.
• La figure 36 montre schématiquement une machine à induction thermique à travail extérieur comprenant quatre colonnes.Figure 36 schematically shows a thermal induction machine for external work comprising four columns.
• La figure 37 représente la machine de la figure 36 réduite à trois colonnes.Figure 37 shows the machine of Figure 36 reduced to three columns.
• Les figures 38 et 39 représentent des variantes respectives des figures 36 et 37.Figures 38 and 39 show respective variants of Figures 36 and 37.
• La figure 40 est un diagramme des isoconcentrations de liquide caloporteur en fonction de la pression et de la température.FIG. 40 is a diagram of the isoconcentrations of coolant as a function of pressure and temperature.
• Les figures 41 et 42 sont des schémas de machines à induction thermique à travail extérieur à 4 et 6 étages respectivement.FIGS. 41 and 42 are diagrams of thermal induction machines with external work at 4 and 6 stages respectively.

Les figures 1 à 3 ont déjà été commentées.Figures 1 to 3 have already been commented on.

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.

FIG. 4 schematically represents a device according to the invention, in the so-called single-stage version. The device is constituted by the association of two two-phase contact columns (for example with plates or linings), where a working fluid is brought into play according to the methods specified below. The working fluid is a mixture of at least two miscible pure bodies. In all that follows, the presentation will be simplified by giving only examples of binary mixtures. Figure 4 must be read with the conventions below, valid, unless otherwise indicated, for all the thermal diagrams which will be explained in this memo.

• - The temperature axis T is directed towards the bottom of the drawing.
• - In the columns the liquid and vapor flows are designated by L and V
• The values of adventitious flows are designated by the letter m provided with indices.
• - If we draw an axis perpendicular to the temperature axis, the temperature is the same for all the points cut by this axis whether they are the points of the column, the heat transfer circuits or the external sources.

Pour réaliser cette condition les colonnes, les circuits caloporteurs et les sources extérieures (ressources : comptées positivement et utilisations : comptées négativement) échangent de la chaleur.To achieve this condition, the columns, the heat transfer circuits and the external sources (resources: counted positively and uses: counted negatively) exchange heat.

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 Q₀ de l'extérieur (par exemple d'un caloporteur M_o), et dont on extrait un débit liquide m₀ à T_o.Returning to Figure 4, we note that the right column C _d (high pressure P, high temperature) is a distillation column whose high temperature region between T and T ' ₀ is a boiler that receives a quantity of heat Q ₀ from the outside (for example from a heat transfer medium M _o ), and from which a liquid flow m ₀ to T _o is extracted.

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.The low-level region is a condenser which rejects heat Q ₁ between T ₁ and T ₁ outside (for example to a heat carrier M ₁ ) and from which a condensate flow rate m ₁ to T ₁ is extracted.

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.

This column includes, throughout its temperature range T ₀ T _1, a distribution of elementary flow rates dm of withdrawal or injection of the working fluid (adventitious flow rates) which exchange their sensible heat with the column; by construction, the adventitious flow rates are adjusted so that the exchanges with the column correspond in all points to the supply of an amount of heat equal to the thermal activity of the column. The determination of MDs is done as follows:

• The calculation takes place step by step towards decreasing temperatures starting from T ₀ . Suppose that at a stage of the calculation we have arrived at T ', we therefore know L' V 'and all the dm calculated between To and T', write the equations for the elementary calculation step T 'T (two conservation equations flow rate, conservation of enthalpy).
  
  
  
  The liquid and the vapor being by assumption in equilibrium in T and T ', the thermodynamic quantities (x, y, h, H) are known, dq is the contribution of external heat and is a given; we therefore have three linear equations with L, V, dm as unknown, we can therefore solve step by step from T ₀ to T ₁ ; the column thus obtained is strictly reversible.

Notons que la pratique du calcul indique que les sections du type ^T _o 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'g_l 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.Note that the practice of calculation indicates that the sections of the type ^T _o or T ' ₁ which are at the limit between an exchange zone, and a zone adiabatic receive weed flows of finite value. The left column Cg (boiler between Tg ₀ and T'g ₀ , condenser between T'g _l and Tg ₁ , flow of heat transfer fluids Mg ₀ , Mg ₁ ) is the reverse column of the right column. This inverse term is explained below. It is noted that the arrangements which have been made for the right column give it a fully reversible operation.

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.The left column is at lower pressure Pg and therefore at lower temperature; it receives in the opposite direction the adventitious flows from the right column in homologous sections where the same liquid concentration reigns at equilibrium. It has the same general operating characteristics as the first column, particularly with regard to exchanges with MDs.

. Les échanges de masse donnent lieu à l'arrivée d'un dm dans une section à même concentration, même température.. Mass exchanges give rise to the arrival of a dm in a section with the same concentration, same temperature.

. 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.. The heat exchanges are done at constant temperature. In the single-stage machine that we are currently examining, the pressure Pg is established in such a way that Tg ₀ = T ₁ . Thus, the set of two columns continuously covers the temperature range T ₀ Tg ₁ ; there is only one column at each temperature.

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.Cg will be the reverse column of C _d if all the quantities of the "flow" type (flow rates, heat exchanges, etc.) are equal and of opposite sign in all homologous sections. Let us examine under which conditions Cg is effectively the reverse column of C _d .

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).For this purpose let us write the equations for the slice T'g Tg homologous to T 'T

dqg is the external heat input Cg will be inverse of C if if any section at temperature Tg is inverse of its counterpart at temperature T. Suppose that the section T'g is inverse of T ^I :

the section Tg will be inverse of the section T if the solutions Lg, Vg, dm (tg) of the system (1) + (2) + (3) are such that Lg = L, Vg = V, dm (Tg) = dm (T). For this to be the case:

Conditions 1 mean that the Merckel diagrams established for the pressures Pg and P are deduced from each other by a translation. This property is not far from being achieved in practice for most mixing diagrams, although it is not strictly so; it is in a way a "property at the limit" analogous to the concept of perfect gas; we will say that in this case that the Merckel diagram is ideal (from our point of view).

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.Finally we see that the association of two columns as described above can give rise to a strictly reversible operation only in an ideal Merckel diagram.

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".

Condition 2 is interpreted as follows:

• If we bring heat to a column according to a given distribution, we cause in the reverse column the appearance of a "need for heat" according to an inverse distribution, which we will call "induced heat".

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 .Thus, in Figure 4, the heat input Q ₀ along the domain T ₀ T ' ₀ by a coolant M ₀ induces heat of the same value Qg ₀ = Q ₀ between Tg and Tg' ₀ , which must be collect at the level of use; in the same way the contribution Qg ₁ between T'g ₁ and Tg ₁ induces the heat Q = Qg ₁ between T ' ₁ and T ₁ which must also be removed. Note that we could also consider Q, as induced by Qg, and that it is therefore indeed a coupling between the heat transfer fluids M and Mg.

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".The property that we have just described is considered essential, for this reason we call the machines which derive from this principle "thermal induction machine".

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.We can still identify some properties of these systems:

2 / The position of the use in relation to the sources results from the construction (Figure 5) on the Merckel diagram; it is rigid and only this position is capable of ensuring reversible operation; it must therefore be considered as a kind of nominal point; the study of operations outside the nominal point will only make sense with regard to real machines.

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).Multi-stage devices are those where the two columns, continuing to operate in a similar manner to previously, can have a temperature interval in common (Figure 6).

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.When one undertakes to calculate such a system step by step starting from T 0, one must decide on the basis of T ₁ of a procedure different from that described previously.

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).

Let us go to the calculation stage at a temperature T located in an area common to the two columns. Suppose that all the adventitious flows up to T 'have already been calculated for the right column; the left column is already provided up to T'g. To calculate the slice T T ', we must now write:

• . 2 flow equations for the left column (unknown Lg, Vg)
• . 2 flow rate equations for the right column (unknown L, V, dm (T))
• . 1 enthalpy equation for the entire system between T and T ', that is to say the two columns and the set of adventitious flows. Let 5 linear equations, 5 unknown, we can therefore find the solution step by step (structure of flow rates L, V, Lg, Vg, dm).

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.In this way of doing things, we lose sight of how the exchanges between column and bundles of dm are carried out. We now seek to clarify this last point.

Pour y parvenir on va s'efforcer d'identifier dans le système multiétagé de la figure 6, les systèmes monoétagés qui en sont constitutifs.To achieve this we will try to identify in the system multi-stage of Figure 6, the single-stage systems which constitute it.

A cet effet, on établit dans le système une coupure suivant la figure 7, qui interrompt la continuité des débits L₁, V₁, 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 m₁, ^m'₁).To this end, a cutoff is established in the system according to FIG. 7, which interrupts the continuity of the flow rates L ₁ , V ₁ , L _1g , V _1g , and one installs at the limits of the two systems S and S 'thus constituted in 1 , 1 ', 1g, 1'g, condensers and evaporators, and we close the liquid flows m _{12 m'1} between homologous columns (Figure 8). By hypothesis 1, 1 ', 1g, 1'g are very small temperature differences; the exchangers located on either side of the cutoff (condensers and evaporators 1, 1 ', 1g, 1'g) have reverse operations. If we glue the cut we find Figure 6. If we maintain it, we see S and S 'operate in the same way (structure of the flow rates L, V, Lg, Vg, dm, identical to the appearance near the flow rates m ₁ , ^m ' ₁ ).

Du point de vue des échanges de chaleur avec les colonnes, les débits m₁ et ^•m₁, sont équivalents à :

From the point of view of heat exchanges with the columns, the flow rates m ₁ and ^• m ₁ , are equivalent to:

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.In the S system, m ^• ₁ heats the column 0g1g which is associated with it; in the system S ', it is the column 1'2 which heats m ^• ₁ .

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).If we return to the primitive system by gluing the cut all the elements of our constructions disappear; it remains that the fictitious existence of the flow rates m ^• _{1 above} were indicative of a heat transfer from column 12 to column 0g1g, equivalent to the closed circuit circulation of the heat transfer medium m ^• ₁ = L ₁ - V ₁ (see figure 9).

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.

The reasoning that we have just used is independent of everything that can happen elsewhere in the system, and in particular:

• . Column 01 is certainly provided with a heat source; we will therefore necessarily find on column 0g1g the induced heat distribution. We will have the choice between:
• . Provide it directly for use,
• . Give it to the opposite column between the same temperatures; in this case this heat distribution will be induced again on the left column and so on.

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.Multistage machines are built using a construction game, the rules of which will be clarified by finishing the machine has begun.

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).

From the start section 01, (Figure 10), a lot has already been determined, in particular:

• . the Og1g reverse section.
• . The direct section opposite 12. We construct them on the Merckel diagram as stair steps between the curves x (T) corresponding to the pressures P and Pg (Figure 11).

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).Still following this construction in staircase steps, we can represent the heat distribution Q ₀ along 00 'by a series of opposite directions and exchanges until finally it leaves the left column. (for example in 1g 1'g).

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.Similarly Q ₂ introduced in 3g 3'g will emerge from C in 22 '; the system is quadritherm; to make it tritherme it is necessary to foresee the steps of staircase so that Q ₀ and Q ₂ leave the system in the range of temperature prescribed for the use.

Il n'a été décrit jusqu'ici que des machines théoriques.Hitherto only theoretical machines have been described.

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.

We will now describe various embodiments of real machines. Real machines are distinguished from theoretical machines by the following two points:

• - Merckel diagrams of fluids used in real machines are not perfect diagrams
• - the number of weed flows is finite.

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.It has been calculated, by means of numerical programs, real trithermal machines in which the liquid and the vapor evolve slightly out of equilibrium to allow the enthalpic balances to be satisfied.

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).This results in a slight deviation of the real COA compared to the theoretical COA (in the example below 1.91 instead of 1.95).

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.A real machine, in its conventional representation mode, appears in Figure 12 and in more detail in Figure 13, while Figure 14 shows it in a real construction configuration.

Figure 12Figure 12

La machine comprend une colonne Kd et une colonne Kg, fonctionnant avec un mélange de R113 et R114.The machine comprises a column Kd and a column Kg, operating with a mixture of R113 and R114.

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.Column Kd receives heat Q ₀ between temperatures T ₀ and T ' ₀ and supplies heat Q' ₁ between temperatures T ' _i and T ₁ .

La colonne Kg fournit de la chaleur Q"₁ entre Tg₀ (₌ T'₁) et T'g₀ (^=T ₁) et reçoit de la chaleur Q₂ entre les températures T'g₁ et Tg₁ Column Kg supplies heat Q " ₁ between Tg ₀ ( ₌ T ' ₁ ) and T'g ₀ ( ^{= T} ₁ ) and receives heat Q ₂ between temperatures T'g ₁ and Tg ₁

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 m_m de Kg à Kd échangeant de la chaleur avec Kg de Tg_m à Tg₁ et avec Kd de Tg₀ (= T₁) à Tg, Tg_m et T^g étant sensiblement les températures intermédiaires des colonnes Kg et Kd.There are five adventitious flows: a first flow m ₀ , from _Kd to T ₀ to _K g to Tg ₀ exchanging heat at constant T with a second flow m ' ₀ from Kg to T'g ₀ to ^Kd to T' _0i a third flow m ₁ from Kd to T ₁ (= Tg ₀ ) to Kg to Tg ₁ exchanging heat with a fourth flow m ' ₁ from Kg to T'g ₁ , a fifth flow m _m from Kg to Kd exchanging heat with Kg from Tg _m to Tg ₁ and with Kd from Tg ₀ (= T ₁ ) to Tg, Tg _m and T ^g being substantially the intermediate temperatures of the columns Kg and Kd.

Figure 13Figure 13

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 Figure 12 established with the conventions established on page 9 from line 26. Figure 13 explains this diagram by highlighting the components which carry out the heat exchanges. The temperature axis convention remains. We see that it is necessary to use four exchangers E ₁ , E ₂ , E ₃ , E ₄

Les notations indiquent que :

avec

The ratings indicate that:

with

Chaque échangeur est du type à contre-courant et travaille à différence de température constante en chaque point.Each exchanger is of the counter-current type and works with a constant temperature difference at each point.

Des pompes P₁, P₂, P₃ assurent la circulation des liquides.P ₁ , P ₂ , P ₃ pumps ensure the circulation of liquids.

Figure 14Figure 14

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.Figure 14 shows, with its components on feet, the machine tritherme represented diagrammatically in FIGS. 12 and 13. The conventions relating to the axes of temperature and gravity are abolished to make room for conventional conventions of representation.

On a isolé les portions de colonnes échangeant de la chaleur avec l'extérieur, à savoir :

• - un bouilleur B_D et un condenseur C_d pour la colonne K_d
• - un bouilleur B_g et un condenseur C_g pour la colonne K .
  • La colonne K_d est à haute pression (5 bars) alors que la colonne K_g 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 :
    

The portions of columns exchanging heat with the outside have been isolated, namely:

• - a boiler B _D and a condenser C _d for the column K _d
• - a boiler B _g and a condenser C _g for the column K.
  • Column K _d is at high pressure (5 bars) while column K _g is at atmospheric pressure.
  • The digital indications next to the boilers and condensers correspond to the heat exchange with the outside expressed in kilowatts.
  • The black arrows indicate the liquid flow rates in liters per second.
  • The dashed arrows represent the steam flows.
  • The operating temperatures are as follows:
    

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.It is observed that the temperature differences at the ends of the heat exchange elements with the outside (boilers, condensers) is of the order of 0.5 degrees. Conventional boilers and condensers are therefore used.

Les échanges internes de la machine, mettant en jeu le fluide de travail, sont les suivants :

The internal exchanges of the machine, involving the working fluid, are as follows:

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%).The internal exchanges, in this example, are three times higher than the power of use, but the exchanges with the columns are very low (of the order of 7%).

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.

We see that the trithermal induction machines are technologically constituted by the assembly of several types of sub-assemblies

• - classic mixing boilers and condensers
• - counter-current liquid-liquid exchangers where the liquid working fluid circulates
• - accessories such as pumps and liquid laminates
• - devices consisting of contact columns fitted with exchangers. These devices are in fact constituted by the juxtaposition in series on the liquid and the vapor of the working fluid of heat transfer elements that we have described at the beginning of this thesis in its principles. We will describe these elements below under the aspect of their technological embodiment.

Les figures 15 et 16 sont deux schémas d'une variante de réalisation de la machine.Figures 15 and 16 are two diagrams of an alternative embodiment of the machine.

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.In these two figures, the conventions relating to the single axis of temperatures directed downwards and to the axis of gravity are repeated.

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.

Figure 15 shows that:

• - the temperature differences of the boilers and condensers is approximately 5 ° C,
• - we have kept the same number and the same layout for weeds.

La figure 16 est une représentation conventionnelle plus détaillée, dans laquelle on fait intervenir les Δ T d'échange des divers échangeurs.FIG. 16 is a more detailed conventional representation, in which the exchange ΔTs of the various exchangers are used.

On retrouve les bouilleurs, condenseurs et échangeurs de la figure ₁₄, mais avec les notations ci-après : E₀₁, ^E _12' E_m1, E_1m.We find the boilers, condensers and exchangers of Figure ₁₄ , but with the following notations: E ₀₁ , ^E _{12 '} E _m1 , E _1m .

De plus, on adjoint à la machine :

• - un échangeur E_sup de faible puissance
• - un flash F à l'entrée du bouilleur B .

In addition, we add to the machine:

• - a low power exchanger E _su p
• - a flash F at the entrance to the boiler B.

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 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.In fact, in the high temperature part of the cycle, the exchange _ΔT in the exchanger Q _e01 is equal to the temperature range of the boiler T ₀ -T ' ₀ . In the same way, the exchange ΔTs for the entire high-level cycle are organized with the same water. At low temperature, the situation of the exchangers is reversed, because the heating exchanger compartment is at a temperature lower than that of the heated compartment.

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.This situation is corrected by using an additional exchanger (of low power) and by carrying out a small 5 ° C flash of the working fluid which enters the boiler Bg.

Les puissances échangées sont :

The powers exchanged are:

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.Internal exchanges by liquid-liquid exchangers represent around 40% of the useful power; the exchanges in the columns represent approximately 17% of the useful power.

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.

These two examples show how and with what order of magnitude the temperature range of external sources act on internal exchanges:

• As we get closer to isothermal exchanges (Δ T small), the internal liquid-liquid exchanges become very important compared to the thermal power of the system at the same time as the exchanges with the two-phase columns become evanescent.

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.For A T = 5 °, the internal liquid-liquid exchanges are weak, while the exchanges with the columns are not yet prohibitive and appear to be achievable with existing technological means.

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 m_m dans les exemples précédents est devenu inutile.
• . que les deux colonnes K et K_g comprennent des parties importantes à co-courant, telles que le système vu sur pied comprendrait 4 colonnes.

Figures 17 and 18 illustrate another example of a machine in which heat sources exchange with the outside with a large temperature difference (of the order of 11 ° C). We notice :

• . that there are only four adventitious flows left; the one called m _m in the previous examples has become useless.
• . that the two columns K and K _g comprise important parts co-current, such that the system seen on the stand would include 4 columns.

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.The explicit diagram shows three liquid-liquid exchangers of power:

therefore a total of 195 kW, a value which has become low compared to 982 kW useful power.

Examinons les échanges avec colonnes diphasiques le long des différents éléments de transfert :

Let’s examine the exchanges with two-phase columns along the different transfer elements:

Enfin 2281 kw sont échangés directement avec la colonne diphasique dont 1971 avec les caloporteurs extérieurs, 310 avec le fluide de travail.Finally 2281 kW are exchanged directly with the two-phase column, of which 1971 with the external heat transfer fluids, 310 with the working fluid.

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.

Note the following conclusions:

• The exchange temperature intervals with external sources give machine technology certain certain contrasting characteristics:

• - machines exchanging with isothermal sources at relatively conventional boilers and condensers also include:
• . significant liquid-liquid exchanges.
• . exchanges in small columns.
• - machines exchanging with sensible heat transfer fluids including completely preponderant heat-column exchanges.

A ces deux types de machine, il faudra apporter des solutions technologiques différentes pour les échanges entre colonne et caloporteurs.To these two types of machine, it will be necessary to provide different technological solutions for the exchanges between column and heat transfer fluids.

Pour les machines échangeant avec des sources isothermes une colonne réalisée selon le schéma de la figure 19 peut être utilisé.For machines exchanging with isothermal sources, a column produced according to the diagram in FIG. 19 can be used.

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.It includes a classic filling G (Raschig rings for example); the heat transfer circuit C _c comprises a succession of horizontal coils such as 5, placed at different discrete levels.

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.For machines exchanging with sensitive sources, which require a greater exchange, we will preferably use an exchanger like the one in Figure 20.

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.The two-phase fluid circulates in tubes T provided with a lining or a spiral spring; the heat transfer fluid circulates between the tubes. A maximum exchange surface is thus obtained with a very low pressure drop.

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.The three exemplary embodiments which have been given with reference to FIGS. 12 to 14, 15 and 16, 17 and 18 respectively relate to single-stage machines in which energy is supplied at high temperature, energy is taken from 'a source with a low temperature level (such as a water table) and energy is obtained at intermediate temperature.

Le schéma de la figure 21 représente une machine tritherme qui reçoit de l'énergie thermique Q_i1, Q_i2 à température intermédiaire T₁, T'₁, T₁, 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 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.The diagram in FIG. 21 represents a tritherm machine which receives thermal energy Q _i1 , Q _i2 at intermediate temperature T ₁ , T ' ₁ , T ₁ , T'g _o and supplies calories Q _h at high temperature level T _o , T ' ₀ while rejecting energy Q _b at low temperature level T ₂ , T' ₂ . This results from the perfect reversibility of the machine and the thermal induction properties which exist in both possible directions of operation.

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.FIGS. 22A and 22B schematically represent for 22A, and more detailed for 22B, a multi-stage machine with two columns; it is a machine that uses a mixture of ammonia and water. The common temperature range for the columns is 59 ° C - 238.25 ° C.

La colonne de droite G_d 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.The right column G _d is equipped with a boiler B ₀ receiving heat (1925 kW) at a high temperature level, a boiler B1 receiving 2300 kW from the condenser C ₁ in the left column, and a condenser C ' ₁ yielding 2700 kW for use at intermediate thermal level; the left column is equipped with a high level condenser C ₁ yielding 2300 kW to boiler B ₁ of the right column, a condenser C ₂ yielding 2400 kW in use and a low level boiler receiving 3175 kW from a low-level resource.

Dans le schéma plus détaillé de la figure 22B, on voit les débits adventices échangeant dans les échangeurs E₀ et E₁.In the more detailed diagram of FIG. 22B, we see the adventitious flows exchanging in the exchangers E ₀ and E ₁ .

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.Note the presence of an EBC exchanger which boils the working fluid in the right column and condenses the working fluid in the left column.

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 ^T ₂.

FIG. 23C is another embodiment of a multi-stage machine obtained by superposition of the single-stage machines 23A and 23B:

• - one 23A having a column with pressure P, temperatures T ₀ to T ₁ and a column with pressure Pg and temperatures T ₁ to T ₂
• the other 23B having a column with pressure Pg and temperatures T ₁ T and a column with pressure P'g and temperatures T ₃ to T ₄ . In practice, T ₄ is very close to T ₂ and, in any event, we can choose T ₃ so that _T4 is equal to ^T ₂ .

La première machine reçoit les chaleurs Q₁ et Q'₁ à T₀ et T₂ respectivement et fournit Q₁ + Q'₁ à ^T ₁.The first machine receives the heat Q ₁ and Q ' ₁ at T ₀ and T ₂ respectively and supplies Q ₁ + Q' ₁ to ^T ₁ .

La seconde machine reçoit Q^• ₁ à T₁ et Q"₁ à T₂ respectivement et fournit Q^• ₁ + Q"₁ à T_3. The second machine receives Q ^• ₁ at T ₁ and Q " ₁ to T ₂ respectively and supplies Q ^• ₁ + Q" ₁ to T _3.

Rien n'interdit d'inclure dans une colonne unique les deux portions de colonnes des deux machines fonctionnant entre T₁ et T₃.Nothing prohibits the inclusion in a single column of the two column portions of the two machines operating between T ₁ and T ₃ .

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 ^T ₃.We obtain the machine of figure 23C which receives Q ₁ to T ₀ , Q ' ₁ + Q " ₁ to T ₂ and provides 0 to T and Q. + Q" ₁ to ^T ₃ .

On a réalisé ainsi simplement une machine multiétagée.We thus produced simply a multi-stage machine.

Il est possible de réaliser sur la base des mêmes principes décrits précédemment, des machines à induction thermique avec travail extérieur.It is possible to realize on the basis of the same principles described above, thermal induction machines with external work.

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.They are machines with two sources; the work can be provided by a turbine (energy production), or absorbed by a compressor (heat pump) according to the direction of the exchanges with the sources at high and low level.

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.They can be constructed starting from trithermal diagrams; for example, start from FIG. 24, representing two heat transfer systems with two elements each, inducing each other one inside the other, one at high pressure P, the other at low pressure Pg.

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.The thermal exchanges between columns and external sources, as well as the adventitious flow rates, were represented. Let’s cut the two elements of each system as indicated by the dashed line. The systems of Figures 25 and 26 are obtained, with the bottom of Figure 25 and the top of Figure 26 the flows V, Vg and L, Lg of steam and liquid of the working fluid.

Considérons la seule figure 26.Let us consider the only figure 26.

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.If the steam circuit V is closed by a turbine Tu which expands the gas from P to Pg and provides work, and if the liquid flows are connected by a Li bond exchanging heat q with the adventitious flow m ₁ , to heat the flow L, we obtain a machine (figure 27) providing external work (w = q) by restoring heat at low temperature level.

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.Figure 28 is the reverse machine of the machine of Figure 27, receiving heat Qo at low level, receiving work W by a compressor Co and providing heat Q'o = Qo + W at high temperature level.

C'est une pompe à chaleur.It is a heat pump.

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.FIG. 29 represents a heat pump where the compression takes place with the steam circulating between the columns at high level, which one has constructed starting from the diagram of FIG. 25.

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.Figure 30 is the reverse figure of 26; associated with a system like the one in figure 25, it allows to build a pump heat like that of Figure 31, where the effluents are transferred from one column to another at medium temperature level.

On peut donc construire des pompes à chaleur à induction thermique avec compression à bas, moyen, ou haut niveau de température.It is therefore possible to build heat induction heat pumps with compression at low, medium or high temperature.

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.The general nature of the methods used with reference to Figures 24 to 32 shows that one can not only develop heat pumps, but also obtain work from sensitive heat sources.

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.The heat pumps of Figures 28 and 29 have heat transfer circuits whose temperature differences A T are equal and in continuity with each other.

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) .It is possible to separate the heat transfer fluids by multiple deviations of Δ T. Consider figure 32 schematically representing a quadritherm machine and make a cut according to the line in dashed line. We keep the upper part (figure 33); the steam circuit is closed by a compressor Co and the liquid circuit by a link Li exchanging with the adventitious flow m1 (FIG. 34).

On a ainsi obtenu une pompe à chaleur où les caloporteurs sont séparés de à _T.There was thus obtained a heat pump where the coolants are separated from to _T.

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).We could in principle separate from 2, 3, ..., n times at T; but in fact this is unrealistic because the internal exchanges of the system quickly become prohibitive. We will find later a more economical process in exchange surfaces to obtain the same result (but on the other hand multi-stage in pressure).

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.The machines which have just been described have the same reversibility character as the trithermal machines in detail close to wet or overheated compression (or expansion). If a mixture of type R112 + R113 is used as the working fluid, one can to a certain extent choose along the columns a vapor transfer point (at low, medium, or high level) so that the state steam on reinjection is roughly saturated. Furthermore, their operation has the same rigidity at nominal point; however, once we no longer allow ourselves to exchange adventitious liquid flows between the columns, but also use vapor transport, we can build reversible machine configurations at nominal point, capable of combining any heat transfer circuits; Figure 35 gives an example.

Les machines à induction thermique à travail extérieur qu'on a examinées jusqu'ici ne comportent que deux colonnes.The thermal induction machines for external work which we have examined so far have only two columns.

Les machines qu'on a étudiées jusqu'ici ne comportaient que deux colonnes ; on peut envisager des morphologies qui en comportent un nombre supérieur.The machines we have studied so far have only two columns; we can consider morphologies that include a higher number.

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.Figure 36 shows such an embodiment; we recognize on the right of this figure a machine identical to that of Figure 28, operating between P and P1; they transfer Q ′ ₀ at the level of the columns Cgo and C ₁ to a machine of the same type operating between P ₁ and P ₂ ; Cgo and C ₁ operating at the same pressure P ₁ and between the same temperatures T ₁ and T ₂ can be superimposed (Figure 37): the assembly Cgo, C ₁ , M ' _o gives way to column C' ₁ whose operation results from the superposition of the direct and inverse columns C ₀ and C ₁ , respectively of thermal activity Q ₀ and Q '₀; the thermal activity of C ' ₁ is therefore Q ₀ - Q' ₀ =; it is therefore a weak activity and C ' ₁ is a small auxiliary column.

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.Another example Figures 38 and 39; same provisions as above; moreover the heat transfer medium m ₀ heats C ₁ ; column C ' ₁ (Figure 39) is the seat of thermal activity 2Q ₀ -Q' ₀ = Q ₀ + q1.

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.It is convenient to represent multi-stage machines on diagrams where the pressure, the temperature down are plotted on the x-axis (as usual); the isocentrations x = constant are as shown in Figure 40.

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).We can generalize the provisions of Figure 39 to a 4-stage machine (Figure 41) or six-stage (Figure 42). The axes of pressure and temperature have been shown in the drawings. The cycle is a cycle without flash of energy production from sensitive heat resources (for example geothermal).

Claims (7)

1/ Machine à induction thermique en vue de mettre en relation des ressources thermiques et des utilisations thermiques (Q₀, Q₁₁ Q'₁, Q₂), afin de valoriser l'énergie des ressources, ledit dispositif fonctionnant dé 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 :1 / Thermal induction machine in order to relate thermal resources to thermal uses (Q ₀ , Q ₁₁ Q ' ₁ , Q ₂ ), in order to valorize the energy of the resources, said device operating in a very close manner reversibility with a working fluid consisting of at least two pure miscible bodies and brought into play in two-phase form, characterized in that it comprises: - 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,a first direct set of heat transfer elements placed in series on the liquid and vapor flow rates of the working fluid, said first set comprising a first column (Kd) with two-phase contact operating at a first pressure value, - 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.- a second set of heat transfer elements, said second set being inverse to the first and containing the same number of elements and in particular a second column (Kg) with two-phase contact, the second column working at a second pressure value less than the first value, heat transfer adventitious flows (m, m ', m ₁ , m' ₁ ). being established between the two sets at the terminals of the homologous elements, all the parts of the device having a temperature between any two values (columns, adventitious flows) exchanging heat between them, the adventitious flows and their direction being adjusted so that the two columns receive at all points during the exchanges the quantities of heat corresponding to their thermal activity. 2/ Machine selon la revendication 1, caractérisé en ce que les première (Kd) et seconde (Kg) colonnes couvrent 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 extrêmes (T_o, T₂) échangeant dans le même sens, les autres zones d'extrémité échangeant en sens inverse.2 / Machine according to claim 1, characterized in that the first (Kd) and second (Kg) columns continuously cover a temperature range (TT ₂ ), without overlapping the respective temperature ranges of the columns, the end zones of the columns are all the heat exchange seat with the outside, the zones at extreme temperatures (T _o , T ₂ ) exchanging in the same direction, the other end zones exchanging in the opposite direction. 3/ Machine selon la revendication 2 caractérisé en ce que la première (Kd) colonne directe comprend à son extrémité la plus chaude un premier bouilleur (Bd) alimenté en chaleur par une première ressource et un second bouilleur (Bg), que la seconde colonne inverse comprend (Kg) à son extrémité la plus froide un deuxième bouilleur (Bg) alimenté par une deuxième ressource, les deux colonnes comportant chacune à leur température commune un condenseur (Cd, Cg), ceux-ci fournissant la chaleur à une seconde 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 (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. 3 / Machine according to claim 2 characterized in that the first (Kd) direct column comprises at its hottest end a first boiler (Bd) supplied with heat by a first resource and a second boiler (Bg), that the second column reverse includes (Kg) at its coldest end a second boiler (Bg) powered by a second resource, the two columns each comprising a condenser (Cd, Cg) at their common temperature, these supplying heat for a second use, the adventitious flows comprising: - a first pair connecting the conjugate ends of the first boiler and the second condenser and exchanging heat in a first counter-current exchanger (E1), - a second pair connecting the conjugate ends of the second boiler and the first condenser and exchanging heat in a second counter-current exchanger (E2), - a third pair substantially connecting the middle of the first column to the second condenser and exchanging heat in a third exchanger (E3) against the current,
and a fourth pair substantially connecting the middle of the second column to the first condenser and exchanging heat in a fourth exchanger (E4) against the current. 4/ Machine selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première colonne directe (Kd) comprend à son extrémité la plus chaude un premier condenseur (C_d) fournissant de l'énergie à une utilisation, la seconde colonne inverse (Kg) comprenant à son extrémité la plus froide un second condenseur (Cg) fournissant de l'énergie à l'utilisation, les deux colonnes comprenant chacune à leur température commune un bouilleur (Bd, Bg) 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 (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. 4 / Machine according to claim 2, characterized in that the first direct column (Kd) comprises at its hottest end a first condenser (C _d ) providing energy for use, the second reverse column (Kg) comprising at its coldest end a second condenser (Cg) providing energy for use, the two columns each comprising at their common temperature a boiler (Bd, Bg) receiving heat from external resources, the adventitious flows comprising : - a first pair connecting the conjugate ends of the first boiler and the second condenser and exchanging heat in a first counter-current exchanger (E1), - a second pair connecting the conjugate ends of the second boiler and the first condenser and exchanging heat in a second counter-current exchanger (E2), - a third pair substantially connecting the middle of the first column to the second condenser and exchanging heat in a third exchanger (E3) against the current,
and a fourth pair substantially connecting the middle of the second column to the first condenser and exchanging heat in a fourth exchanger (E4) against the current. 5/ Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les première (Kd) et seconde colonne (Kg) couvrent un domaine de température (T_a, T₂g) avec une zone commune de température (T₁ T₂), les sources de chaleur, positive ou négative, appliquées à une colonne entre deux valeurs données de température induisant dans l'autre colonne, entre les mêmes températures, une chaleur de signe inverse.5 / Machine according to claim 1, characterized in that the first (Kd) and second column (Kg) cover a temperature range (T _a , T ₂ g) with a common temperature zone (T ₁ T ₂ ), the sources of heat, positive or negative, applied to a column between two given values of temperature inducing in the other column, between the same temperatures, a heat of opposite sign. 6/ Machine selon la revendication 1, 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 (Tu, Co) pour porter la pression de la vapeur de sa valeur au point de prélèvement à sa valeur au point de réinjection dans ladite colonne, la machine comprenant un moyen (Li) 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.6 / machine according to claim 1, characterized in that at least one point of a column, located in an end section of a thermal transfer element constituting said column, is connected to a steam sampling circuit which carries steam to the point. homologous to the reverse column, said circuit comprising a member (Tu, Co) for bringing the pressure of the vapor from its value at the sampling point to its value at the point of reinjection into said column, the machine comprising means (Li) for establishing a liquid flow rate between said sampling and steam reinjection points, so as to obtain equality of liquid flow rates in the homologous sections of the associated columns.

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