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WATER
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700 bars
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de 5 m/s
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7,5 m/s
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0,6 l
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0,736 kW
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de 807 Watts
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3,10 m
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64 W
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de 3 m/s
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1716 W
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0,01 l/s
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163 cal/s
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Organism
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pales
(1)
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helice
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2516215A1
Family ID 8047132
Probable Assignee Binet Jacques
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title DISPOSITIF DE PRODUCTION D'ENERGIE THERMIQUE PAR DETENTE D'UN
FLUIDE SOUS PRESSION
EN Title WIND POWERED WATER HEATER - HAS SPRING-LOADED THROTTLE VALVE
USING ENERGY IN PRESSURISED FLUID
Abstract
_________________________________________________________________
DISPOSITIF DE PRODUCTION D'ENERGIE THERMIQUE PAR DETENTE D'UN FLUIDE
SOUS PRESSION.
LE DISPOSITIF COMPREND UN CORPS 12 DANS LEQUEL EST FORMEE UNE CHAMBRE
D'ENTREE 15 DU FLUIDE SOUS PRESSION, CONTENANT UN ORGANE ETRANGLEUR 14
DELIMITANT UN ETRANGLEMENT 15 DE TRES FAIBLE SECTION POUR LE PASSAGE
DU FLUIDE JUSQU'A UNE CHAMBRE DE SORTIE 19 DANS LAQUELLE LE FLUIDE EST
A PRESSION NULLE ET RECHAUFFE; LE FLUIDE SOUS PRESSION EST ACHEMINE
PAR UNE POMPE ENTRAINEE PAR UNE EOLIENNE, PUIS LE FLUIDE DETENDU ET
RECHAUFFE CEDE SON ENERGIE CALORIFIQUE A UN ECHANGEUR DE CHALEUR AVANT
D'ETRE RECYCLE.
APPLICATION A LA PRODUCTION D'water CHAUDE, NOTAMMENT POUR LE
CHAUFFAGE CENTRAL OU DE L'water SANITAIRE A PARTIR DE L'ENERGIE
EOLIENNE.
The installation has a primary closed circuit containing a fluid which
is pressurised by a wind driven pump. The pressurised water is pumped
through a throttling valve (5) where it reheats before flowing through
a heat exchanger in the secondary circuit. The throttle valve has a
body (12) containing an inlet (17) leading to an inner cylinder (13)
with a conical valve seat (23). A piston (14) having only a small
clearance, has a conical end (24) and is spring loaded to close the
inlet (17). The closing force is adjustable to suit the pressure of
the incoming fluid. The fluid lifts the piston off the seat and flows
through the fine clearances (15,16) of the throttle valve to the
outlet (21) being reheated in the process.
Description
_________________________________________________________________
La presente invention a pour objet un dispositif de production
d'energie thermique par detente d'un fluide sous pression.
I1 est connu que la detente d'un fluide sous pression degage de la
chaleur, c'est-a-dire que l'energie latente du fluide comprime peut se
transformer par detente de celui-ci en energie calorifique par perte
brusque du gradient de pression. Ce phenomene a ete etudie en
particulier par Bernoulli et par Borda-Eellanger qui ont etabli des
theoremes, d'apres lesquels une perte de pression brusque engendre une
perte de puissance se traduisant par l'apparition d'energie
calorifique.
L'invention a pour but de mettre a profit ce phenomene pour recuperer
l'energie thermique degagee afin de l'utiliser par exemple dans une
installation de chauffage central, d'habitation ou de production
d'water chaude sanitaire, la mise sous pression du fluide etant
obtenue de preference a partir d'une energie renouvelable telle que
celle du vent.
Suivant l'invention, le dispositif de production d'energie thermique
comprend un corps dans lequel est amenagee une chambre d'entree du
fluide sous pression, a l'interieur de laquelle est dispose un organe
d'etranglement-du passage du fluide, remplissant presque completement
cette chambre en n' autorisant le fluide a traverser celle-ci que par
un passage de tres faible section autour dudit organe etrangleur, et
la chambre d'entree communique avec une chambre de sortie du fluide
detendu et chauffe, adaptee pour etre reliee a une canalisation de
retour du fluide et de recuperation de son energie thermique.
Le fluide, par exemple de l'huile, est amene sous haute pression, par
exemple 700 bars environ,a l'entree de la chambre, ou il est d'abord
arrete par l'organe etran gleur qui fait office d'obturateur, a
l'exception du passage precite de tres faible section, etest-a-dire de
de l'ordre de quelques microns, dans lequel le fluide penetre
progressivement en se detendant et en se rechauffant. Lorsque le
passage entre la paroi de la chambre d'entree et l'organe etrangleur
est traverse, le fluide est a une pression nulle et son energie
latente de compression s'est transformee en energie calorifique.
Cette energie calorifique peut alors etre acheminee jusqu a un
echangeur de chaleur ou elle est transmise a un autre fluide,tel que
par exemple l'water d'une installation de chauffage central dans une
habitation.
Suivant une particularite de l'invention, l'organe etrangleur est
sollicite elastiquement en butee contre l'ouverture d'entree de la
chambre par un moyen de rappel elastique reglable en fonction de la
charge hydraulique.
Suivant une forme de realisation de l'invention, l'organe etrangleur
est relie, par une conduite de fluide sous pression, a une pompe
hydraulique entrainee par une eolienne ou par un moteur electrique, et
la chambre de sortie communique avec une canalisation qui traverse un
echangeur de chaleur susceptible de transmettre la chaleur du fluide
detendu a un autre fluide tel que de l'water notamment pour une
installation de chauffage central ou d'water chaude sanitaire, apres
quoi la canalisation de sortie rejoint la pompe ou le fluide -detendu
est remis sous pression et recycle.
De preference, la source d'energie actionnant la pompe est une
eolienne, plutot qu'un moteur electrique, car l'utilisation du vent
presente l'avantage evident d'entre constamment renouvelable et
gratuite. De plus, les absences de vent totales sont extremement rares
et cette source d'energie fonctionne aussi bien de jour que de nuit,
contrairement a l'energie solaire, ce qui garantit un fonctionnement
sans interruption du dispositif.
La puissance developpee par la pompe, donc la pression du
fluide,depend bien entendu de la vitesse du vent.
Ainsi, une eolienne pour vent moyen peut etre installee dans un site
dont la vitesse du vent moyenne annuelle est de 5 m/s, ou les vents
depassent 7,5 m/s environ 2000 heures par an.
D'autres particularites et avantages de l'invention apparaitront au
cours de la description qui va suivre, faite en reference aux dessins
annexes sur lesquels on a represente une forme de realisation non
limitative du dispositif selon l'invention.
- La figure 1 est une vue en elevation schematique d'un dispositif de
production d'energie thermique par detente d'un fluide sous pression
installe dans une maison d'habitation, la pompe d'alimentation du
fluide sous pression etant actionnee par une eolienne.
- La figure 2 est une vue schematique a echelle agrandie du systeme
d'etranglement du passage du fluide et de l'echangeur de chaleur
auquel ce systeme est relie, dans le dispositif illustre a la figure
1.
- La figure 3 est une vue en coupe axiale avec arrachements a grande
echelle, d'un mode de realisation du systeme d'etranglement assurant
la detente et l'echauffement du fluide sous pression, dans le
dispositif des figures 1 et 2.
- La figure 4 est une vue en coupe transversale suivant IV-IV de la
figure 3.
- La figure 5 est une vue en coupe axiale prise dans la chambre de
sortie suivant V-V de la figure 3.
- La figure 6 est un diagramme montrant la variation de la longueur du
passage d'etranglement en fonction du debit de fluide et de la
viscosite de celui-ci.
On a represente schematiquement a la figure 1 une maison d'habitation
1 equipee d'un dispositif de production d'energie thermique par
detente d'un fluide sous pression, comprenant tout d'abord une
eolienne 2-montee sur le fate du toit et qui est accouplee a une pompe
3 d'un type connu en soi.
La pompe 3 est reliee par une canalisation d'alimentation en fluide
sous pression 4 a un systeme etrangleur 5 agence pour detendre le
fluide jusqu a une pression nulle.
Ce systeme etrangleur 5 communique avec un echangeur de chaleur 6
traverse par une canalisation 7 contenant le fluide rechauffe et a
pression nulle, qui ramene le fluide jusqu'a la pompe 3 dans laquelle
il est remis sous pression et recycle.
L'echangeur de chaleur 6 contient par exemple de l'water 8 (figure 2)
qui arrive dans l'eehangeur par une tuyauterie 9 et en repart par une
tubulure Il apres avoir recu l'energie thermique du fluide s'ecoulant
dans la canalisation de sortie 7. L'water 8 peut alimenter par exemple
une installation de chauffage central de l'habitation 1, ou encore
fournir de l'water chaude sanitaire.
On decrira maintenant en se referant aux figues 3 a 5, le systeme
etrangleur 5 qui fait plus particulierement l'objet de l'invention. te
systeme etrangleur 5 comprend un corps 12 dans lequel est amenageeune
chambre d'entree 13 du fluide sous pression, a l'interieur de laquelle
est dispose un organe etrangleur 14 assurant l'etranglement du passage
du fluide entre lui-meme et la paroi de la chambre 13. A cet effet,
l'organe etrangleur 14 remplit presque completement la chambre 13 en
n'autorisant le fluide a traverser celle-ci que par un passage 15 de
tres faible section autour dudit organe 14.Ce dernier, qui est de
forme generale cylindrique de revolution ainsi que la chambre 13 dans
l'exemple represente, est donc dimensionne par rapport a la chambre
13, pour laisser entre la paroi de celle-ci et sa peripherie le
passage annulaire 15 qui en pratique peut avoir une largeur de l'ordre
de quelques microns, et a ete deliberement agrandi sur la figure 3
pour une meilleure comprehension du dessin.
L'organe etrangleur 14 presente une serie de gorges peripheriques 16
paralleles entre elles, et qui sont donc remplies par le fluide
lorsque celui-ci s'ecoule autour de l'organe etrangleur 14.
La chambre d'entree 13 communique avec la canalisation d'alimentation
4 par un percage filete 17 destine a recevoir l'extremite de la
canalisation 4. La chambre 13 se termine,de l'autre cste de l'organe
etrangleur 14, par un compartiment 18 qui communique avec une chambre
de sortie 19 du fluide, debouchant dans l'alesage taraude 21 d'un
bouchon 22 de fermeture, visse dans le corps 12 et adapte pour
recevoir l'extremite de la canalisation de sortie 7.
La chambre de sortie 19 est disposee a angle droit avec la chambre
d'entree 15.
Suivant une particularite de l'invention, organe etrangleur 14 est
sollicite elastiquement en butee contre un siege tronconique 23 forme
dans le corps 12, coaxialement au trou taraude 17. A cet effet, la
tete de l'organe 14 presente un epaulement annulaire 24. te rappel
elastique de l'organe etrangleur 14 contre le siege 23 est assure par
un ressort helicoidal 25 reglable en fonction de la pression du fluide
entrant dans la chambre 13. te ressort 25 prend appui contre un
bouchon 26 filete, pouvant etre visse a l'interieur du corps 12
coaxialement a la chambre cylindrique 13, le compartiment 18
presentant un taraudage 27 a cet effet. te bouchon 26 est pourvu d'un
doigt 28 introduit coaxialement a l'interieur du ressort 25 et
assurant son maintien en place. Le ressort 25 prend appui au fond
d'une gorge 29 menagee dans le bouchon 26 autour du doigt 28, et vient
s'eneastrer dans un logement 31 de l'organe etrangleur 14, en exercant
sur le fond de ce logement une poussee axiale dirigee en sens inverse
de la poussee du fluide sous pression contre l'organe 14.
Le bouchon 26 est equipe d'un bouton de manoeuvre 32, visse sur
l'extremite du bouchon 26 avec interposition entre ce dernier et le
bouton 32 d'une bague 33; des joints d'etancheite 34 sont en outre
intercales, d'une part entre le bouton 32 et la bague 33, et entre
cette derniere et le corps 12.
La rotation du bouton 32 et du bouchon 26 permet de regler la poussee
du ressort 25 contre l'organe etrangleur 14, et par consequent la
force avec laquelle ce dernier est maintenu en butee contre le siege
annulaire 23, en fonction de la pression du fluide d'alimentation.
A l'interieur de la chambre de sortie 19 est prevu un passage a
chicanes pour le fluide detendu et rechauffe, realise dans l'exemple
illustre a la figure 3 au moyen de deux pieces 35 a cloisons
transversales 36 paralleles, intercalees les unes entre les autres en
delimitant entre elles un trajet en chicanes.
Le fonctionnement du systeme etrangleur 5 et du dispositif dont il
fait partie est le suivant.
Le fluide sous pression provenant de la pompe 3 entrainee par
l'eolienne 2, par exemple de l'huile a 700 bars, entre dans le systeme
etrangleur 5 par l'alesage 17, repousse legerement l'organe etrangleur
14 en l'ecartant de son siege 23 jusqu'a ce qu t un equilibre
s'etablisse, puis s 'ecoule dans le passage annulaire 15 en se
detendant et en se rechauffant jusqu'au compartiment 18. De la, le
fluide a pression nulle et rechauffe s'ecoule dans la chambre de
sortie 19 en parcourant le trajet en chicanes entre les cloisons 36,
puis est recueilli dans la canalisation de sortie 7. Dans l'echangeur
de chaleur 6, le fluide cede son energie thermique au fluide 8
remplissant ledit echangeur, puis retourne par la canalisation 7 a la
pompe 3 dans laquelle il est remis sous pression et recycle vers le
systeme etrangleur 5. te fluide 8 sort de l'echangeur 6 par la
conduite 11, d'ou il peut etre achemine jusqu'a l'utilisation prevue,
par exemple l'installation de chauffage central de l'habitation, ou de
production d'water chaude sanitaire ou toute autre application prevue.
te fluide 8 est constamment renouvele dans l'echangeur 6 par un fluide
a basse temperature arrivant par la canalisation 9.
On realise ainsi une installation de production d'energie calorifique
a partir d'une energie de preference renouvelable, telle que celle
fournie par l'eolienne 2. il faut toutefois noter que celle-ci
pourrait etre remplacee par une autre source d'energie appropriee,
telle qu'un moteur electrique entrainant la pompe 3. Toutefois, cette
solution ne presenterait pas, au point de vue du bilan energetique,
l'avantage lie a l'utilisation d'une energie gratuite et renouvelable
telle que l'energie eolienne.
A titre d'exemple numerique indicatif, le debit peut etre par exemple
Q = 0,6 l/mn -10 em3/s, et le gradient de pression A P = 700 bars.
On montre alors aisement, a partir de ces donnees, que la puissance a
installer est P = 0,736 kW.
Pour ce faire, on peut utiliser une eolienne appropriee, par exemple a
3 pales, ayant une puissance motrice de 807 Watts par un vent de 7m/s,
le diametre de l'helice etant 3,10 m.
En fonction de ia vitesse du vent, la puissance de l'eolienne varie
-alors entre 64 W par un vent de 3 m/s et 1716 W par un vent de 9m/s.
Pour un debit Q = 0,01 l/s et une pression P = 700 bars, on montre
aisement que la perte de puissance 21, P = Q x P = 0,93 CV ce qui
correspond a une energie calorifique de 0, 163 cal/s, c'est-a-dire a
une elevation de temperature de
P = 0,163/0,01 = 16,3 OC,
Le diagramme de la figure 6 montre deux courbes
A et E de variation de la longueur d de l'etranglement 15 en fonction
du debit Q de fluide sous pression, en cm3/mn.
La courbe A correspond a une temperature de 200C et a une viscosite de
23 centipoises, tandis que la courbe E correspond a une temperature du
fluide de 500C, et a une viscosite de 12 centipoises.
L'invention n'est pas limitee a la forme de realisation decrite et
peut recevoir de nombreuses variantes d'execution. Ainsi, l'organe
etrangleur 14 et la chambre d'entree peuvent etre realises avec une
geometrie differente, et le trajet en chicanes dans la ehambre de
sortie 19 peut etre realise de toute autre maniere equivalente, de
meme que le moyen de rappel elastique de 11 organe etrangleur 14.
Au lieu d'utiliser de l'huile comme fluide caloporteur, on pourrait
utiliser des gaz appropries.
Enfin, l'invention est susceptible de recevoir des applications
diverses, notamment en plus de celles deja mentionnees, en agriculture
pour arroser avec de l'water chaude ou tiede, la pompe etant branchee
sur la prise de force d'un tracteur. te dispositif selon l'invention
peut egalement etre mis en oeuvre pour assurer le re chauffe- ment de
l'water du moteur d'un vehicule. te rendement energetique du
dispositif vise par l'invention est tres eleve, puisqu'il est de
l'ordre de 0,97. On notera que le ressort 25 peut ne pas etre encastre
dans l'organe etrangleur 14, mais simplement exercer sa pousse sur
l'extremite de ce dernier.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
1 - Dispositif de production d'energie thermique par detente d'un
fluide sous pression, caracterise en ce qu'il comprend un corps (12)
dans lequel est amenagee une chambre d'entree (13) du fluide sous
pression, a l'interieur de laquelle est dispose un organe (14)
d'etranglement du passage du fluide, remplissant presque completement
cette chambre (13) en n'autorisant le fluide a traverser celle-ci que
par un passage (vis) de tres faible section autour dudit organe
etrangleur (14), et la chambre d'entree communique avec une chambre de
sortie (19) du fluide detendu et chauffe, adaptee pour etre reliee a
une canalisation (7) de retour du fluide et de recuperation de son
energie thermique.
2 - Dispositif selon la revendication 1, caracterise en ce que
l'organe etrangleur (14) est sollicite elastiquement en butee contre
l'ouverture d'entree de la chambre (13) par un moyen (25) de rappel
elastique reglable en fonction de la pression du fluide entrant dans
la chambre (13).
3 - Dispositif selve l revendication 3, caracterise en ce que le moyen
de rappel elastique est un ressort (25) prenant appui contre un
bouchon (26) susceptible d'entre visse a l'interieur du corps (12),
dans l'axe de la chambre d'entree (13), et encastre d'autre part dans
l'organe etrangleur (14) en exercant sur ce dernier une poussee
reglable.
4 - Dispositif selon l'une des revendications 1 a 3, caracterise en ce
que organe etrangleur (14) est cylindrique et presente des gorges
peripheriques (16) paralleles entre elles, qui sont remplies par le
fluide lorsque ce dernier s'ecoule en se detendant entre la paroi de
la chambre d'entree (13) et l'organe etrangleur (14).
5 - Dispositif selon l'une des revendications 1 a 4, caracterise en ce
que la chambre de sortie (1.9) contient un passage a chicanes pour le
fluide detendu et rechauffe, realise notamment au moyen de deux pieces
(35) a cloisons transversales paralleles (36) intercalees les unes
entre les autres.
6 - Dispositif selon l'une des revendications 1 a 5, caracterise en ce
que l'organe etrangleur (14) est relie, par une conduite (4) de fluide
sous pression, a une pompe (3) entrainee par une eolienne (2) ou un
moteur, et la chambre de sortie (19) communique avec une canalisation
(7) qui traverse un echangeur de chaleur (6) susceptible de
transmettre la chaleur du fluide detendu a un autre fluide tel que de
l'water notamment pour une installation de chauffage central ou
d'water chaude sanitaire, apres quoi la canalisation de sortie (7)
rejoint la pompe (3) ou le fluide detendu est remis sous pression et
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