INSTALLATION POUR LA PRODUCTION DE FROID, DE CHALEUR ET/OU DE TRAVAIL

Installation pour la production de froid, de chaleur et/ou de travail

La présente invention concerne une installation pour la production de froid, de chaleur et/ou de travail.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE

Les machines thermodynamiques utilisées pour la production de froid, de chaleur ou d'énergie font toutes référence à une machine idéale désignée par "machine de Carnot". Une machine de Carnot idéale requiert une source de chaleur et un puits de chaleur à deux niveaux différents de température. Il s'agit donc d'une machine "ditherme". Elle est dite machine de Carnot motrice lorsqu'elle fonctionne en fournissant du travail, et machine de Carnot réceptrice (aussi appelée pompe à chaleur de Carnot) lorsqu'elle fonctionne en consommant du travail. En mode moteur, la chaleur Q _h est fournie à un fluide de travail Gx à partir d'une source chaude à la température Tj ₁ , la chaleur Q _b est cédée par le fluide de travail Gj à un puits froid à la température T _b et le travail net W est délivré par la machine. À l'inverse, en mode pompe à chaleur, la chaleur Q _b est prélevée par le fluide de travail Gj à la source froide T _b , la chaleur Q _h est cédée par le fluide de travail au puits chaud à la température Tj ₁ et le travail net W est consommé par la machine.

D'après le 2 ^eme principe de la thermodynamique, l'efficacité d'une machine ditherme (motrice ou réceptrice), c'est-à-dire une machine réelle fonctionnant ou non selon le cycle de Carnot, est au plus égale à celle de la machine de Carnot idéale et ne dépend que des températures de la source et du puits. Toutefois la réalisation pratique du cycle de Carnot, constitué de deux étapes isothermes (aux températures T _h et T _b ) et deux étapes adiabatiques réversibles se heurte à plusieurs difficultés qui n'ont pas été complètement résolues jusqu'à présent. Au cours du cycle, le fluide de travail peut rester toujours à l'état gazeux ou subir un changement d'état liquide/vapeur pendant les transformations isothermes à T _h et T _b . Lorsqu'il se produit un changement d'état liquide/vapeur, les transferts de chaleur entre la machine et l'environnement s'effectuent avec une efficacité plus grande que lorsque le fluide de travail reste à l'état gazeux. Dans le premier cas et pour de mêmes puissances thermiques échangées au niveau de la source et du puits de chaleur, les surfaces d'échanges sont plus faibles (donc moins coûteuses). Toutefois, lorsqu'il y a un changement d'état liquide/vapeur, les étapes adiabatiques réversibles consistent à comprimer et à détendre un mélange biphasique liquide/ vapeur. Les techniques de l'art antérieur ne permettent pas d'effectuer des compressions ou des détentes de mélanges biphasiques. Selon l'art antérieur actuel, on ne sait pas réaliser correctement ces transformations.

Pour remédier à ce problème, il a été envisagé de se rapprocher du cycle de Carnot en comprimant isentropiquement un liquide et en détendant isentropique- ment une vapeur surchauffée (pour un cycle moteur) et en comprimant la vapeur surchauffée et en détendant isenthalpiquement le liquide (pour un cycle récepteur). Toutefois, de telles modifications induisent des irréversibilités dans le cycle et diminuent de façon très significative son efficacité, c'est-à-dire le rendement du moteur ou le coefficient de performance ou d'amplification de la pompe à chaleur.

DEFINITION GENERALE DE L'INVENTION Le but de la présente invention est de fournir une machine thermodynamique fonctionnant selon un cycle proche du cycle de Carnot, améliorée par rapport aux machines de l'art antérieur, c'est-à-dire une machine qui fonctionne avec un changement d'état liquide/vapeur du fluide de travail pour conserver l'avantage des faibles surfaces de contact requises, tout en limitant de façon substantielle les irréversibilités dans le cycle au cours des étapes adiabatiques.

Un objet de la présente invention est constitué par une installation pour la production de froid, de chaleur et/ou de travail, comprenant au moins une machine de Carnot modifiée. Un autre objet de l'invention est constitué par un procédé de production de froid, de chaleur et/ou de travail, à l'aide d'une installation comprenant au moins une machine de Carnot modifiée.

Une installation pour la production de froid, de chaleur ou de travail, selon la présente invention comprend au moins une machine de Carnot modifiée constituée par : a) Un 1 ^er ensemble qui comprend un évaporateur Evap associé à une source de chaleur, un condenseur Cond associé à un puits de chaleur, un dispositif DPD de pressurisation ou de détente d'un fluide de travail G _T , des moyens de transfert du fluide de travail G _τ entre le condenseur Cond et DPD, et entre l'évaporateur Evap et DPD ; b) Un 2 ^ème ensemble qui comprend deux enceintes de transfert CT et CT' qui contiennent un liquide de transfert L _τ et le fluide de travail G _τ sous forme de liquide et/ou de vapeur, le liquide de transfert L _τ et le fluide de travail étant deux fluides différents ; c) des moyens de transfert sélectif du fluide de travail G _τ entre le condenseur Cond et chacune des enceintes de transfert CT et CT' d'une part, entre l'éva- porateur Evap et chacune de enceintes de transfert CT et CT' d'autre part ; d) des moyens de transfert sélectif du liquide L _T entre les enceintes de transfert CT et CT' et le dispositif de compression ou de détente DPD, lesdits moyens comprenant au moins un convertisseur hydraulique.

Dans le présent texte :

"cycle de Carnot modifié" signifie un cycle thermodynamique comprenant les étapes du cycle de Carnot théorique ou des étapes similaires avec un degré de réversibilité inférieur à 100% ;

"machine de Carnot modifiée" désigne une machine qui présentent les caractéristiques a), b), c) et d) ci-dessus ;

"convertisseur hydraulique" désigne soit une pompe hydraulique, soit un moteur hydraulique : - "pompe hydraulique" désigne un dispositif qui utilise de l'énergie mécanique fournie par l'environnement à la "machine de Carnot modifiée" pour pomper un fluide hydraulique de transfert L _τ à basse pression et le restituer à plus haute pression ;

"pompe hydraulique auxiliaire" désigne un dispositif qui utilise de l'énergie mécanique fournie par l'environnement à la "machine de Carnot modifiée" ou prélevée sur le travail délivré à l'environnement par la "machine de Carnot modiliée" pour pressuriser soit le liquide de transfert L _τ soit le fluide de travail Gj à l'état liquide ;

"moteur hydraulique" désigne un dispositif qui délivre à l'environnement de l'énergie mécanique générée par la machine de Carnot modifiée en dépressurisant le liquide de transfert L _τ à haute pression et en le restituant à plus basse pression ;

"environnement" désigne tout élément extérieur à la machine de Carnot modifiée, incluant les sources et puits de chaleur et tout élément de l'installation auquel la machine de Carnot modifiée serait raccordée ;

"transformation réversible" signifie une transformation réversible au sens strict, ainsi qu'une transformation quasi réversible. La somme des variations d'entropie du fluide qui subit la transformation et de l'environnement est nulle lors d'une transformation strictement réversible correspondant au cas idéal, et légèrement positive lors d'une transformation réelle, quasi- réversible. Le degré de réversibilité d'un cycle peut se quantifier par le rapport entre le rendement (ou le coefficient de performance COP) du cycle et celui du cycle de Carnot fonctionnant entre les mêmes températures extrêmes. Plus la réversibilité du cycle est grande, plus ce rapport est proche (par valeur inférieure) de 1.

"transformation isotherme" signifie une transformation strictement isotherme ou dans des conditions proches de la nature isotherme théorique, sachant que, dans des conditions de mise en œuvre réelles, lors d'une transformation considérée comme isotherme effectuée de manière cyclique, la température T subit de légères variations, telles que ΔT/T de ± 10%; "transformation adiabatique" signifie une transformation sans aucun échange de chaleur avec l'environnement ou avec des échanges de chaleur que l'on cherche à minimiser en isolant thermiquement le fluide qui subit la transformation et l'environnement.

Le procédé de production de froid, de chaleur et/ou de travail selon l'invention consiste à faire subir à un fluide de travail G _τ une succession de cycles de Carnot modifiés dans une installation selon l'invention comprenant au moins une machine de Carnot modifiée. Un cycle de Carnot modifié comprend les transformations suivantes: une transformation isotherme avec échange de chaleur entre G _τ et la source, respectivement le puits de chaleur ; une transformation adiabatique avec diminution de la pression du fluide de travail G _τ ; une transformation isotherme avec échange de chaleur entre Gj et le puits, respectivement la source de chaleur ; une transformation adiabatique avec augmentation de la pression du fluide de travail Gj.

Le procédé est caractérisé en ce que : le fluide de travail est sous forme biphasique liquide-gaz au moins pendant les deux transformations isothermes d'un cycle, les deux transformations isothermes produisent ou sont produites par un changement de volume de G _τ concomitant avec le déplacement d'un liquide de transfert L _τ qui entraîne ou est entraîné par un convertisseur hydraulique, et en conséquence, du travail est fourni ou reçu par l'installation par l'intermédiaire d'un fluide hydraulique qui traverse un convertisseur hydraulique pendant au moins les deux transformations isothermes. Dans un mode de réalisation, le travail est reçu ou fourni par l'installation par l'intermédiaire d'un fluide hydraulique qui traverse un convertisseur hydraulique pendant une seule des transformations adiabatiques. Dans ce mode de réalisation, le cycle de Carnot modifié et la machine de Carnot modifiée sont dits "du 1 ^er type". Dans un mode de réalisation, le travail est reçu ou fourni par l'installation par l'intermédiaire d'un fluide hydraulique qui traverse un convertisseur hydraulique pendant les deux transformations adiabatiques. Dans ce mode de réalisation, le cycle de Carnot modifié et la machine de Carnot modifiée sont dits "du 2 ^eme type".

DESCRIPTION DES FIGURES

La figure 1 représente les courbes d'équilibre liquide/ vapeur pour divers fluides utilisables comme fluide de travail G _T . La pression de vapeur saturante P (en bar) est donnée en ordonnée, en échelle logarithmique, en fonction de la température T (en ⁰ C) donnée en abscisse.

La figure 2 représente une vue schématique d'une machine de Carnot modifiée motrice de 2 ^ème type. La figure 3 représente dans le diagramme de Mollier des frigoristes un cycle de Carnot modifié moteur suivi par un fluide de travail Gj. La pression P est donnée en échelle logarithmique, en fonction de l'enthalpie massique h du fluide de travail.

La figure 4 représente dans un diagramme de Mollier trois cycles de Carnot modifiés moteurs du 2 ^ème type qui ont une même température T _b du fluide de travail au cours de l'échange de chaleur avec le puits froid et des températures croissantes

T" _h ,T' _h et T _h du fluide de travail au cours de l'échange de chaleur avec la source chaude .

La figure 5 est une représentation schématique d'une machine de Carnot modifiée motrice de 1 ^er type.

La figure 6 représente dans le diagramme de Mollier un cycle de Carnot modifié moteur du 1 ^er type suivi par un fluide de travail Gj. La pression P est donnée en échelle logarithmique, en fonction de l'enthalpie massique h du fluide de travail La figure 7 représente une vue schématique d'une machine de Carnot modifiée réceptrice de 2 ^ème type. La figure 8 représente dans le diagramme de Mollier un cycle de Carnot modifié récepteur du 2 ^ème type suivi par un fluide de travail Gj. La pression P est donnée en échelle logarithmique, en fonction de l'enthalpie massique h du fluide de travail. La figure 9 représente une vue schématique d'une machine de Carnot modifiée réceptrice de 1 ^er type.

La figure 10 représente dans le diagramme de Mollier un cycle de Carnot modifié récepteur du 1 ^er type suivi par un fluide de travail G _τ . La pression P est donnée en échelle logarithmique, en fonction de l'enthalpie massique h du fluide de travail.

La figure 11 représente une vue schématique d'une machine de Carnot modifiée pouvant fonctionner selon le choix de l'utilisateur selon le mode moteur 1 ^er type ou récepteur de 1 ^er type.

Les figures 12a et 12b illustrent schématiquement deux modes de réalisation de machines de Carnot modifiées motrices fonctionnant entre les mêmes températures extrêmes T _h et T _b et en indiquant le sens des échanges de chaleur et de travail entre ces machines et l'environnement.. La figure 12a représente un mode de réalisation d'un couplage thermique à un niveau de température intermédiaire entre deux machines de Carnot modifiées motrices. La figure 12b représente un autre mode de réalisation avec une seule machine de Carnot modifiée motrice.

La figure 13 représente schématiquement les niveaux de température des sources et puits de chaleur et le sens des échanges de chaleur et de travail, dans une installation comprenant une machine de Carnot modifiée motrice haute température couplée mécaniquement à une machine de Carnot modifiée réceptrice basse température.

La figure 14 représente schématiquement les niveaux de température des sources et puits de chaleur et le sens des échanges de chaleur et de travail, dans une installation comprenant une machine de Carnot modifiée motrice basse température couplée mécaniquement à une machine de Carnot modifiée réceptrice haute température.

Les figures 15a à 15h représentent schématiquement les échanges de chaleur et de travail entre une machine (ou des associations de machines) de Carnot modifiée(s) et l'environnement, ainsi que les températures des sources et puits de chaleur, pour 8 exemples impliquant différents fluides de travail. Les figures 16, 17 et 18 représentent respectivement dans les diagrammes de Mollier de l'eau, du n-butane et du 1, 1,1,2-tétrafluoroéthane les différents cycles de Carnot modifiés qui sont impliqués dans les 8 exemples de la figure 15.

DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION

Dans une installation selon la présente invention, une machine de Carnot modifiée peut avoir une configuration de machine motrice ou de machine réceptrice. Dans les deux cas, la machine peut être du 1 ^er type (échange de travail entre le liquide de transfert et l'environnement pendant l'une des transformations adiabatiques) ou du 2 ^ème type (échange de travail entre le liquide de transfert et l'environnement pendant les deux transformations adiabatiques). Une machine de Carnot modifiée peut en outre avoir une configuration qui permet, selon le choix de l'utilisateur, un fonctionnement en mode moteur (1 ^er ou 2 ^eme type) ou en mode récepteur (1 ^er ou 2 ^ème type).

Le procédé de gestion d'une machine motrice comprend au moins une étape au cours de laquelle on apporte de la chaleur à l'installation, en vue de récupérer du travail au cours d'au moins l'une des transformations du cycle de Carnot modifié. Le procédé de gestion d'une machine réceptrice comprend au moins une étape au cours de laquelle on apporte du travail à l'installation, en vue de récupérer de la chaleur au puits chaud à T _h ou de prélever de la chaleur à la source froide à T _b au cours d'au moins l'une des transformations isothermes du cycle de Carnot modifié. Le procédé selon la présente invention consiste à soumettre un fluide de travail G _T à une succession de cycles entre une source de chaleur et un puits de chaleur. Dans la suite, par souci de simplification et parce que cela n'affecte pas le principe de fonctionnement de la machine de Carnot modifiée, on ne distingue pas la température de la source ou du puits chaud de celle du fluide de travail qui échange avec cette source ou ce puits, ces températures étant désignées par T _h . De même, on ne distingue pas la température de la source ou du puits froid de celle du fluide de travail qui échange avec cette source ou ce puits, ces températures étant désignées par T _b . On considère ainsi que les échangeurs de chaleur sont parfaits.

Le fluide de travail G _T et le liquide de transfert Lj sont choisis de préférence de telle sorte que G _τ soit faiblement soluble, de préférence insoluble dans L _τ , que G _τ ne réagisse pas avec L _τ et que G _τ à l'état liquide soit moins dense que L _τ . Lorsque la solubilité de G _T dans L _T est trop importante ou si G _T à l'état liquide est plus dense que L _τ , il est nécessaire de les isoler l'un de l'autre par un moyen qui n'empêche pas l'échange de travail. Ledit moyen peut consister par exemple à interposer entre Gj et L _T une membrane souple qui crée une barrière imperméable entre les deux fluides mais qui n'oppose qu'une très faible résistance au déplacement du liquide de transfert ainsi qu'une faible résistance au transfert thermique. Une autre solution est constituée par un flotteur qui a une densité intermédiaire entre celle du fluide de travail G _τ à l'état liquide et celle du liquide de transfert L _τ . Un flotteur peut constituer une barrière matérielle grande, mais il est difficile de la rendre parfaitement efficace si l'on ne veut pas de frottements sur la paroi latérale des enceintes CT et CT'. En revanche le flotteur peut constituer une résistance thermique très efficace. Les deux solutions (membrane et flotteur) peuvent être combinées.

Le liquide de transfert L _τ est choisi parmi les liquides qui ont une faible pression de vapeur saturante à la température de fonctionnement de l'installation, afin d'éviter, en absence de membrane séparatrice telle que décrite ci-dessus, les limitations dues à la diffusion des vapeurs de G _τ à travers la vapeur de L _τ au niveau du condenseur ou de l'évaporateur. Sous réserve des compatibilités avec G _T mentionnées précédemment et à titre d'exemples non exhaustifs, L _τ peut être l'eau, ou une huile minérale ou de synthèse, ayant de préférence une faible viscosité.

Le fluide de travail G _τ subit des transformations dans le domaine thermodynamique de température et pression de préférence compatible avec l'équilibre liqui- de - vapeur, c'est-à-dire entre la température de fusion et la température critique. Toutefois au cours du cycle de Carnot modifié, certaines de ces transformations peuvent intervenir en totalité ou en partie dans le domaine du liquide sous-refroidi ou de la vapeur surchauffée, ou le domaine supercritique. Un fluide de travail est choisi de préférence parmi les corps purs et les mélanges azéotropiques, pour avoir une relation monovariante entre la température et la pression à l'équilibre liquide - vapeur. Toutefois, une machine de Carnot modifiée selon l'invention peut également fonctionner avec une solution non azéotropique en tant que fluide de travail.

Le fluide de travail Gj peut être par exemple l'eau, CO ₂ , ou NH ₃ . Le fluide de travail peut en outre être choisi parmi les alcools ayant 1 à 6 atomes de carbone, les alcanes ayant de 1 à 18 (plus particulièrement de 1 à 8) atomes de carbone, les chlorofluoroalcanes ayant de préférence de 1 à 15 (plus particulièrement de 1 à 10) atomes de carbone, et les alcanes partiellement ou totalement fluorés ou chlorés ayant de préférence de 1 à 15 (plus particulièrement de 1 à 10) atomes de carbone. On peut citer en particulier le 1,1,1,2-tétrafluoroéthane, le propane, l'isobutane, le n- butane, le cyclobutane, ou le n-pentane. La figure 1 représente les courbes d'équilibre liquide/vapeur pour quelques uns des fluides G _T précités. La pression de vapeur saturante P (en bar) est donnée en ordonnée, en échelle logarithmique, en fonction de la température T (en ⁰ C) donnée en abscisse.

Un fluide utilisable comme fluide de travail peut intervenir en tant que fluide moteur ou en tant fluide récepteur, en fonction de l'installation dans laquelle il est utilisé, des sources de chaleur disponibles, et du but recherché.

De manière générale, les fluides de travail et les liquides de transfert sont choisis d'abord en fonction des températures des sources de chaleur et des puits de chaleur disponibles, ainsi que des pressions de vapeur saturantes maximales ou minimales souhaitées dans la machine, ensuite en fonction d'autres critères tels que notamment la toxicité, l'influence pour l'environnement, la stabilité chimique, et le coût.

Le fluide G _τ peut être dans les enceintes CT ou CT' à l'état de mélange bi- phasique liquide/vapeur à l'issue de l'étape de détente adiabatique pour le cycle moteur ou de compression adiabatique pour le cycle récepteur. Dans ce cas la phase liquide de Gj s'accumule à l'interface entre G _T et L _τ . Lorsque la teneur en vapeur de G _τ est grande (typiquement compris entre 0,95 et 1) dans les enceintes CT ou CT' avant la connexion desdites enceintes avec le condenseur, on peut envisager d'éliminer totalement la phase liquide de Gj dans ces enceintes. Cette élimination peut être effectuée en maintenant la température du fluide de travail G _τ dans les enceintes CT ou CT' à la fin des étapes de mise en communication des enceintes CT ou CT' et du condenseur, à une valeur supérieure à celle du fluide de travail G _τ , à l'état liquide dans le condenseur, de sorte que il n'y ait pas de G _τ liquide dans CT ou CT' à cet instant.

Dans un mode de réalisation, l'installation comprend des moyens d'échange de chaleur entre d'une part la source et le puits de chaleur qui sont à des températures différentes, et d'autre part l'évaporateur Evap, le condenseur Cond et éventuellement le fluide de travail G _τ dans les enceintes de transfert CT et CT'.

Lorsque le convertisseur hydraulique de la machine de Carnot modifiée est un moteur hydraulique et la température de la source est supérieure à la température du puits, la machine de Carnot modifiée est motrice. Une installation selon la présente invention peut comprendre une machine de Carnot modifiée motrice seule, ou couplée à un dispositif complémentaire, en fonction du but recherché. Le couplage peut être effectué par voie thermique ou par voie mécanique.

Dans une machine de Carnot modifiée motrice de 1 ^er type, le dispositif DPD consiste en un dispositif qui pressurise le fluide de travail G _τ à l'état de liquide saturé ou de liquide sous-refroidi, par exemple une pompe hydraulique auxiliaire PHA ₁ .

Dans une machine de Carnot modifiée motrice de 2 ^eme type, le dispositif

DPD de pressurisation ou de détente comprend d'une part une enceinte de compression/détente ABCD et les moyens de transfert qui y sont associés et d'autre part une pompe hydraulique auxiliaire PHA ₂ qui pressurise le fluide hydraulique de transfert L _τ .

Dans un procédé selon l'invention mis en œuvre selon un cycle de Carnot modifié moteur, le cycle comprend les transformations suivantes : - une transformation isotherme au cours de laquelle on fournit de la chaleur à G _τ à partir de la source de chaleur à la température T ₁ , ; une transformation adiabatique avec diminution de la pression du fluide de travail Gj; une transformation isotherme au cours de laquelle de la chaleur est fournie par G _τ au puits de chaleur à la température T _b inférieure à la température Tj ₁ ; une transformation adiabatique avec augmentation de la pression du fluide de travail G _T -

Lorsque le procédé de l'invention est une succession de cycles de Carnot modifiés moteurs, la source de chaleur est à une température supérieure à la température du puits de chaleur. Chaque cycle est constitué par une succession d'étapes au cours desquelles il y a un changement de volume du fluide de travail Gj. Cette variation de volume provoque un déplacement du liquide L _τ qui entraîne un moteur hydraulique ou est provoquée par un déplacement du liquide L _τ qui est entraîné par une pompe hydraulique auxiliaire. Ainsi l'installation consomme du travail durant certaines étapes et en restitue durant d'autres étapes, tandis que sur le cycle complet il y a une production nette de travail vers l'environnement. L'environnement peut être un dispositif annexe qui transforme le travail fourni par l'installation en électricité, en chaleur ou en froid. Un procédé de fonctionnement d'une machine de Carnot modifiée motrice est décrit plus en détail à partir d'une machine représentée de manière schématique sur la figure 2.

La figure 2 représente une vue schématique d'une machine de Carnot modifiée motrice de 2 ^ème type, qui comprend un évaporateur Evap, un condenseur Cond, une enceinte de compression/détente isentropique ABCD, un moteur hydraulique MH, une pompe hydraulique auxiliaire PHA ₂ et deux enceintes de transfert CT et CT'. Ces différents éléments sont reliés entre eux par un premier circuit contenant exclusivement le fluide de travail G _T , et un second circuit contenant exclusivement le liquide de transfert Lj. Lesdits circuits comprennent différentes ramifications obturables par des vannes commandées. L'évaporateur Evap et le condenseur Cond contiennent exclusivement le fluide G _τ en général à l'état de mélange liquide/ vapeur. Toutefois, selon le fluide de travail G _T et la température de la source chaude T _h , ledit fluide de travail G _T peut se trouver dans le domaine supercritique à ladite température T _h et dans ces conditions l'évaporateur Evap ne contient que G _T à l'état gazeux. Le moteur MH et la pompe PHA ₂ sont traversés exclusivement par du liquide L _τ . Les éléments ABCD, CT et CT' constituent les interfaces entre les deux circuits (G _T et L _T ) et ils contiennent le fluide hydraulique de transfert L _T dans la partie inférieure et/ou le fluide de travail G _T à l'état liquide, vapeur ou mélange liquide- vapeur dans la partie supérieure.

ABCD est relié à Cond et à Evap par des circuits contenant G _τ et obturables respectivement par les électrovannes EV ₃ et EV ₄ . Evap est relié à CT et CT' par des circuits contenant G _T et obturables respectivement par les électrovannes EV ₁ et EV ₁ . Cond est relié à CT et CT' par des circuits contenant G _τ et obturables respectivement par les électrovannes EV ₂ et EV ₂ .. Sur le mode de réalisation représenté sur la figure 2, les moyens d'obturation sont des électrovannes deux voies. D'autres types de vannes commandées ou pas peuvent cependant être utilisées, notamment des vannes pneumatiques, des vannes à tiroir, ou des clapets anti-retour. Certaines paires de vannes deux voies (c'est-à-dire ayant une entrée et une sortie) peuvent être remplacées par des vannes trois voies (une entrée, deux sorties ou deux entrées et une sortie). D'autres associations de vannes possibles sont à la portée de l'homme de métier.

Sur le mode de réalisation représenté sur la figure 2, le liquide traversant le moteur hydraulique circule toujours dans le même sens. Dans ce mode de réalisation, qui est le plus fréquent pour un moteur hydraulique, le liquide de transfert L _τ à haute pression est toujours raccordé sur le moteur MH à la même entrée (à droite dans la figure 2) et le liquide de transfert L _τ à basse pression est toujours raccordé sur le moteur MH à la même sortie (à gauche dans la figure 2). Comme les enceintes CT et CT' sont alternativement à haute pression et à basse pression, un jeu d'électrovannes permet de les connecter aux entrée/sortie adéquates du moteur MH. Ainsi, le moteur hydraulique MH est relié en entrée (ou amont) à CT et CT' par un circuit contenant L _τ à haute pression et obturable respectivement par les électrovannes EV _h et EV _h' , en sortie (ou aval) à CT et CT' par un circuit contenant L _τ à basse pression et obturable respectivement par les électrovannes EV _b et EV _b' . P ^ar exemple dans l'étape du cycle représentée à la figure 2, la haute pression se trouve dans l'enceinte CT' et la basse pression dans CT; les électrovannes EV _h' et EV _b sont ouvertes et les électrovannes EV ₁₁ et EV _b' sont fermées ; le liquide de transfert s'écoule à travers MH de la droite vers la gauche. Durant l'autre moitié du cycle, la haute pression est dans CT et la basse pression est dans CT', les électrovannes EV _h . et EV _b sont fermées et les électrovannes EV _h et EV _b - sont ouvertes, mais le liquide de transfert traverse le moteur hydraulique dans le même sens (de droite à gauche). ABCD est relié dans sa partie inférieure à l'aval de MH par un circuit contenant le liquide de transfert Lj et comprenant dans deux branches en parallèle la pompe hydraulique auxiliaire PHA ₂ et l'électrovanne EV _r . Quand L _τ circule de MH vers ABCD, il est pressurisé par PHA ₂ et EV _r est fermée. Quand L _τ circule de ABCD vers MH, il s'écoule par gravité, EV _r est ouverte et PHA ₂ est arrêtée. Le liquide de transfert Lx étant finalement transvasé vers CT ou CT ¹ , il est nécessaire que ABCD se trouve au dessus des enceintes CT et CT ¹ .

Sur la figure 2, l'axe AX du moteur hydraulique MH est raccordé à un récepteur (c'est-à-dire un élément consommant du travail), soit directement soit par l'intermédiaire d'un couplage classique. Le récepteur est un alternateur ALT, couplé directement à l'axe du moteur hydraulique, et la pompe hydraulique auxiliaire PHA ₂ est raccordée par l'intermédiaire d'un embrayage magnétique EM. D'autres modes de couplages, tels qu'un cardan, une courroie, un embrayage magnétique ou mécanique peuvent être utilisés. De même, d'autres récepteurs peuvent être raccordés sur le même axe, par exemple une pompe à eau, une machine de Carnot modifiée réceptrice, une pompe à chaleur classique (à compression mécanique de vapeur). Si nécessaire, un volant d'inertie peut aussi être monté sur cet axe pour favoriser l'enchaînement des étapes réceptrices et motrices du cycle.

Un cycle de Carnot modifié peut être décrit dans le diagramme de Mollier des frigoristes, qui donne la pression P, en échelle logarithmique, en fonction de l'enthalpie massique h du fluide de travail. La figure 3 représente le diagramme de Mollier du cycle de Carnot modifié moteur suivi par le fluide de travail Gj.

Selon le fluide G _τ retenu, l'étape de détente isentropique de la vapeur saturée en sortie de l'évaporateur peut conduire à un mélange biphasique ou à de la vapeur surchauffée. Dans la figure 3, le cas du mélange biphasique est représenté par la trajectoire entre les points "c" et "d" en pointillé et le cas de la vapeur surchauffée est représenté par la trajectoire entre les points "c" et "d _vs " en trait continu. En outre, quel que soit G _T , la vapeur en sortie de l'évaporateur peut être surchauffée de telle sorte qu'après la détente isentropique il n'y ait que de la vapeur surchauffée ou à la limite saturée. Ce 3 ^eme cas est représenté dans la figure 3 par la trajectoire entre les points "c _vs " et "d _vs " en trait mixte. Toute incursion en début ou en fin de détente isentropique dans le domaine de la vapeur surchauffée génère des irréversibilités et induit donc une diminution du rendement du cycle. Toutefois lorsque la position du point "d" est très proche de l'état de vapeur saturée, il est préférable d'éliminer toute présence de Gx liquide dans les enceintes CT ou CT ¹ en réalisant une surchauffe de G _J en sortie de la détente isentropique. Le choix du moyen pour apporter de la chaleur à Gx dans CT et CT' est à la portée de l'homme de métier. L'apport de chaleur peut être fait par exemple par une résistance électrique ou par échange avec la source chaude à T _h . L'échange de chaleur peut être fait dans un échangeur intégré au circuit de L _τ , ledit L _τ échangeant à son tour avec Gx à leur interface dans CT et CT'. L'échange peut en outre est effectué au niveau de la paroi latérale de CT et CT'. C'est cette dernière possibilité qui est représentée dans la figure 2, sur laquelle de la chaleur à la température Tj est apportée à Cx.

Le cycle de Carnot modifié moteur est constitué par 4 phases successives débutant respectivement aux instants t _α , I ₇ , t _δ et t _λ . Il est décrit ci-après par référence au cycle abcd _vs -ea du diagramme de Mollier représenté sur la figure 3. Le principe est identique pour le cycle abc _vs -d _vs -ea.

Phase αβγ (entre les instants U et t^) :

À l'instant précédant immédiatement ^ , le niveau de L _τ est bas (noté B) dans ΛBCD et le cylindre CT, cl haut (noté II) dans Ic cylindre CT'. Au même instant, la pression de vapeur saturante de Gx a une valeur basse P _b dans ABCD et CT, et une valeur haute P _h dans Evap et CT'. C'est à cet instant du cycle que correspond la configuration de l'installation représentée schématiquement à la figure 2.

A l'instant t _α , l'ouverture des électro vannes EVV, EV _2, EV _h' et EV _b et l'embrayage de PHA ₂ provoquent les phénomènes suivants :

La vapeur saturée de G _τ sortant de l'évaporateur à P _h , pénètre dans CT' et refoule le liquide de transfert Lx à un niveau intermédiaire (noté J). Lx passe à travers le moteur MH en se détendant, ce qui produit du travail dont une partie est récupérée par la pompe PHA ₂ .

Après avoir été détendu par MH, une partie du liquide de transfert Lx est transférée vers CT et l'autre partie du liquide L ₇ est transférée vers ABCD. Dans CT, L _τ passe du niveau bas au niveau intermédiaire (noté I), refoule les vapeurs de Gx vers le condenseur où elles se condensent et s'accumulent en partie inférieure (les vannes EV ₂ étant ouverte et EV ₃ fermée). L'autre partie de L _τ est aspirée par la pompe PHA ₂ et refoulée à plus haute pression vers ABCD ce qui permet de comprimer de façon isentropique le mélange liquide/vapeur de G _T contenu dans cette enceinte. Sur le diagramme de Mollier (figure 3), cette étape correspond aux transformations simultanées suivantes:

* a -> b dans l'enceinte ABCD;

* b -> c dans l'ensemble Evap-CT';

* d _vs → e dans l'ensemble CT-Cond. La pressurisation de Gj à partir de la basse pression P _b jusqu'à la haute pression P _h dans ABCD doit être réalisée avant son introduction dans l'évaporateur qui est toujours à la pression haute Pj ₁ . C'est donc seulement à l'instant tp que l'élec- trovanne EV ₄ (qui peut être remplacée par un clapet anti-retour) entre ABCD et Evap est ouverte. Ceci nécessite d'avoir un stock de Gj à l'état liquide dans l'éva- porateur au début de cette phase, stock qui est reconstitué à la fin de cette étape.

D'un point de vu énergétique, durant cette phase αβγ, de la chaleur Q _h a été consommée au niveau de l'évaporateur à T _h , de la chaleur Qa _e a été relâchée au niveau du condenseur à T _b (T _b < T _h ) et un travail W _α p _γ net a également été délivré à l'extérieur. Phase γδ (entre les instants X _x et U)

À l'instant I ₇ , c'est-à-dire lorsque le niveau de L _τ a atteint les valeurs prédéfinies (I dans CT, J dans CT' et H dans ABCD), on laisse EV ₂ , EV _b et EV _h . ouvertes et on ouvre les électrovannes EV ₃ et EV _r . Il en résulte que :

La vapeur de Gj contenue dans CT' continue à s'expanser, mais de manière quasi-adiabatique (transformation c — » d -> d _vs sur le diagramme de Mollier, figure 3) et refoule toujours le liquide de transfert L _τ à travers le moteur MH dans le cylindre CT.

En fait cette transformation peut être décomposée en une détente strictement adiabatique (c → d) qui aboutit selon le fluide G _τ dans le domaine biphasique ou dans la vapeur surchauffée, suivie d'une légère surchauffe (d

— » d _vs ) par les parois de CT' maintenues à une température suffisante pour le permettre (comprise entre T _b et T _h ). La transformation d → d _vs n'est pas obligatoire ; si à l'issue de la détente strictement adiabatique (c -» d) le fluide Gj se trouve dans le domaine biphasique, le liquide GT sera partiellement refoulé à la fin de cette phase γδ dans le condenseur. L'enceinte ABCD en communication avec le condenseur est ramenée à la pression basse et le liquide de transfert L _τ qu'elle contient dans sa partie inférieure s'écoule par gravité vers CT qui doit donc se trouver préférentiel- lement au dessous de ABCD. Toutefois si l'électrovanne EV ₁ . est ouverte un peu avant l'électrovanne EV ₃ et s'il reste un peu de G _τ à l'état de liquide saturé dans la partie supérieure de ABCD, alors la dépressurisation de L _τ lors de la mise en communication avec CT induit une vaporisation partielle ou totale dudit reste de G _τ liquide initialement à la pression haute P _h . Dans ces conditions la pression en amont de EV _r peut être suffisante durant toute la durée du transfert de Lx pour compenser la hauteur de colonne de liquide et l'enceinte ABCD n'est alors pas obligatoirement au dessus des enceintes CT et CT ¹ .

En raison de la montée du niveau de L _τ (de I à H) dans CT, le reste des vapeurs de G _τ dans CT se condense dans Cond (transformation e→a). - Tous les condensats (ceux accumulés à la phase précédente et ceux de la présente phase) se retrouvent dans ABCD.

D'un point de vu énergétique, durant cette phase γδ, de la chaleur Q _ea est relâchée au niveau du condenseur à T _b , un peu de chaleur (prélevée sur la source chaude à T _h ) est éventuellement consommée au niveau de CT' pour assurer la surchauffe d → d _vs et un travail Wp ₇ , est également délivré à l'extérieur.

La deuxième partie du cycle est symétrique : l'évaporateur, le condenseur et ABCD sont le siège des mêmes transformations successives, tandis que les rôles des enceintes CT et CT' sont intervertis.

Phase δελ (entre les instants tg et tj) : Elle est équivalente à la phase αβγ mais avec interversion des enceintes de transfert CT et CT'.

Phase λα (entre les instants t^ et t,):

Elle est équivalente à la phase γδ mais avec interversion des enceintes de transfert CT et CT ¹ . À l'issue de la phase λα, la machine de Carnot modifiée motrice de 2 ^ème type se retrouve à l'état α du cycle décrit ci-dessus. Les diverses transformations thermodynamiques suivies par le fluide Gj (avec la transformation d — » d _vs considérée comme optionnelle) et les niveaux du liquide de transfert Lj sont résumés dans le tableau 1. L'état des actionneurs (électrovannes et embrayage de la pompe PHA ₂ ) est résumé dans le tableau 2, dans lequel x signifie que l'électrovanne correspondante est ouverte ou que la pompe PHA ₂ est embrayée.

Tableau 1

Tableau 2

₂ . Ceci n'est pas gênant si le travail fourni à l'extérieur sert directement pour une machine réceptrice qui n'a pas besoin d'être constante à l'intérieur du cycle, telle qu'une pompe à eau ou une machine de Carnot modifiée réceptrice. Bien entendu, la puissance moyenne sur un cycle reste constante d'un cycle à l'autre, lorsqu'un régime permanent de fonctionnement est atteint et si les températures T

_h et T

_b restent constantes.

Par ailleurs, l'évaporateur est isolé du reste du circuit pendant les phases γδ et λα alors que l'apport de chaleur par la source chaude à T _h est a priori continu. Dans ces conditions il y aura durant ces phases d'isolement une montée en température et donc en pression dans l'évaporateur puis une brusque chute aux instants t _α et tδ de réouverture des vannes EVi ou EV _1' .

Dans un mode de mise en œuvre préféré du procédé de l'invention, il est tenu compte du fait que le liquide de transfert Ly est incompressible, et que les variations de niveau qui interviennent simultanément dans les trois enceintes ABCD, CT et CT ¹ ne sont donc pas indépendantes. Par ailleurs ces variations de niveau de L _τ résultent ou impliquent des variations concomitantes de volume du fluide G _τ . Cela se traduit par l'équation suivante entre les volumes massiques de Gj à différents stades du cycle: v _e - v _a = v _dvs - v _c (eq. 1) V; étant le volume massique de G _τ à l'état thermodynamique du point "i", "i" étant respectivement e, a, d _vs et c.

La figure 4 représente les diagrammes de Mollier pour trois cycles de Carnot modifiés moteurs du 2 ^eme type, à savoir les cycles a"-b"-c"-d _vs -e"-a", a'-b'-c'-d _vs -e'-a' et abcd _vs -a. Ces trois cycles ont une même température T _b de G _τ dans le condenseur et des températures croissantes de G _τ dans l'évaporateur, respectivement à T" _h , T' _h et T _h . Sur cette figure, les courbes en trait mixte sont des courbes à volume massique constant.

Lorsque les températures du condenseur et de l'évaporateur sont très proches (voire confondues), le point -e- dans le diagramme de Mollier est proche du point - a- (voire confondu avec) comme représenté schématiquement avec le cycle a"-b"- c"-d _vs -e"-a". Au fur et à mesure que l'écart de température entre le puits et la source de chaleur augmente, le point -e- s'éloigne du point -a- et se rapproche du point -d _vs - . Le cycle a'-b'-c'-d _vs -e'-a' représente un cas intermédiaire et le cycle abcd _vs -a représente le cas extrême dans lequel les points -e- et -d _vs - sont confondus. Comme le rendement du cycle de Carnot modifié moteur augmente avec l'écart de température entre le puits et la source de chaleur, le cycle abcd _vs -a est préférable sous réserve de disposer d'une source de chaleur à la température T _h suffisante pour une température du puits T _b fixée.

Dans ce cas préféré (où v _e = v _dvs ), l'équation (eq. 1) se réduit à v _c = v _a tel que cela est représenté à la figure 4. En outre, les étapes décrites dans la configuration générale du procédé de mise en œuvre de la machine de Carnot modifiée motrice du

2 ^me type sont simplifiées puisque la transformation d _vs (ou d) — > e n'a plus lieu d'être.

Ainsi, la différence de température (T _h -T _b ) entre les deux transformations isothermes du cycle de Carnot modifié moteur ne peut pas dépasser une certaine valeur ΔT _max , fonction d'une des températures (T _h ou T _b ) et du fluide de travail choisi G _τ . Or les performances de la machine de Carnot modifiée dépendent notamment de cette valeur ΔT _max . Pour obtenir la performance maximale avec un fluide G _x donné et une température T _h ou T _b donnée, il est nécessaire de choisir les autres conditions de fonctionnement telles que le rapport v _a /v _c soit le plus proche possible de 1 (par valeur inférieure), soit de préférence 0,9 < v _a /v _c ≤ 1 et plus particulièrement 0,95 < v _a /v _c < 1.

Les diverses transformations thermodynamiques de ce mode de réalisation préféré sont résumées dans le tableau 3, et l'état des actionneurs (électro vannes et embrayage de la pompe PHA ₂ ) est résumé dans le tableau 4 dans lequel x signifie que l'électrovanne correspondante est ouverte ou que la pompe PHA ₂ est embrayée.

Tableau 3

Tableau 4

Les étapes du cycle de Carnot modifié moteur du 2 ^eme type dans la configuration préférée sont détaillées ci-dessous dans la mesure où elles diffèrent de celles décrites ci-dessus pour la configuration générale. A partir d'un état initial dans lequel d'une part le fluide de travail Gj est maintenu dans l'évaporateur Evap à haute température et dans le condenseur Cond à basse température par échange de chaleur respectivement avec la source chaude à T _h et le puits froid à T _b <T _h , et d'autre part tous les circuits de communication de G _T et du liquide de transfert L _τ sont obturés, on soumet le fluide de travail G _τ à une succession de cycles comprenant les étapes suivantes :

Phase αβγ (entre les instants U et ^) :

À l'instant t _α , l'ouverture des électrovannes EVr et EV _h' et l'embrayage de PHA ₂ provoquent les phénomènes suivants : - La vapeur saturée de Gj sortant de l'évaporateur à P _h , pénètre dans CT' et refoule le liquide de transfert L _τ à un niveau intermédiaire (noté J). L _τ passe à travers le moteur MH en se détendant, ce qui produit du travail dont une partie est récupérée par la pompe PHA ₂ .

Après avoir été détendu par MH, le liquide de transfert L _τ est aspiré par la pompe PHA ₂ et refoulé à plus haute pression vers ABCD ce qui permet de comprimer de façon isentropique le mélange liquide/vapeur de Gj contenu dans cette enceinte.

Sur le diagramme de Mollier (figure 4), cette étape correspond aux transformations simultanées suivantes: a -> b dans l'enceinte ABCD; b → c dans l'ensemble Evap-CT'.

La pressurisation de P _b à P _h de G _τ dans ABCD doit être réalisée avant son introduction dans l'évaporateur qui est toujours à la pression haute P _h . C'est donc seulement à l'instant t _p que l'électrovanne EV ₄ (qui peut être remplacée par un clapet anti-retour) entre ABCD et Evap est ouverte.

D'un point de vu énergétique, durant cette phase αβγ, de la chaleur Q _h a été consommée au niveau de l'évaporateur à T _h et un travail W _αPγ net a également été délivré à l'extérieur.

Phase γδ (entre les instants t^ et ts) : À l'instant I ₇ , c'est-à-dire lorsque le niveau de L _τ a atteint les valeurs prédéfinies (J dans CT' et H dans ABCD), on ferme EV ₁ - et EV ₄ , on laisse EV _h - ouverte et on ouvre les électrovannes EV ₂ , EV ₃ , EV _b et EV _r . Il en résulte que :

La vapeur de G _τ contenue dans CT' continue à s'expanser, mais de manière adiabatique ou quasi-adiabatique c'est-à-dire selon la transformation c -> d (suivi éventuellement de d -> d _vs ) et refoule le liquide de transfert L _τ à travers le moteur MH dans le cylindre CT.

Cette transformation peut être décomposée en une détente strictement adiabatique (c — » d) qui aboutit selon le fluide G _T dans le domaine biphasique ou dans la vapeur surchauffée, suivie d'une légère surchauffe (d

— > d _vs ) par les parois de CT' maintenues à une température suffisante pour le permettre (comprise entre T _b et T _h ).

L'enceinte ABCD en communication avec le condenseur est ramenée à la pression basse et le liquide de transfert Lj qu'elle contient dans sa partie inférieure s'écoule par gravité vers CT qui doit donc se trouver préférentiel- lement au dessous de ABCD. Toutefois si l'électrovanne EV _r est ouverte un peu avant l'électrovanne EV ₃ et s'il reste un peu de G _T à l'état de liquide saturé dans la partie supérieure de ABCD, alors la dépressurisation de L _τ lors de la mise en communication avec CT induit une vaporisation partielle ou totale dudit reste de G _τ liquide initialement à la pression haute P _h . Dans ces conditions la pression en amont de EV ₁ . peut être suffisante durant toute la durée du transfert de L _T pour compenser la hauteur de colonne de liquide et l'enceinte ABCD n'est alors pas obligatoirement au dessus des enceintes CT et CT'. - En raison de la montée du niveau de L _T (de B à H) dans CT, les vapeurs de G _τ contenues dans CT se condensent dans le condenseur Cond (transformation d ou d _vs -» a).

Les condensats ne s'accumulent pas dans Cond car ils s'écoulent par gravité vers l'enceinte ABCD. D'un point de vu énergétique, durant cette phase γδ, de la chaleur Qj ₃ est relâchée au niveau du condenseur à T _b , un peu de chaleur (prélevée sur la source chaude à T _h ) est éventuellement consommée au niveau de CT' pour assurer la surchauffe d — » d _vs et un travail W _γδ est également délivré à l'extérieur.

Comme dans le cas général du mode de mise en œuvre du procédé de l'invention dans une machine de Carnot modifiée motrice du 2 ^ème type, l'autre moitié du cycle est symétrique : la phase δελ (entre les instants t _δ et t _λ ) est équivalente à la phase αβγ mais avec interversion des enceintes de transfert CT et CT'. la phase λα (entre les instants t _λ et t _α ) est équivalente à la phase γδ mais avec interversion des enceintes de transfert CT et CT'.

Plus particulièrement : à l'instant t _δ , on ferme tous les circuits ouverts à l'instant t _γ , on ouvre le circuit de G _τ entre Evap et CT (par EVi), on ouvre le circuit de L _τ entre CT et l'amont du moteur hydraulique MH (par EV _h ), et on actionne la pompe auxiliaire PHA ₂ , de sorte que : * la vapeur saturée de Gj sortant de Evap à la pression élevée Pj ₁ , pénètre dans CT et refoule L _τ à un niveau intermédiaire J ;

* L _τ passe à travers MH en se détendant, puis L _τ est aspiré par PHA ₂ et refoulé vers ABCD. à l'instant tg, on ouvre le circuit de G _τ entre ABCD et Evap (par EV ₄ ) de sorte que le fluide de travail G _τ est introduit à l'état liquide dans l'évaporateur ; à l'instant t _λ , on ferme le circuit de Gj entre Evap et CT d'une part, entre ABCD et Evap d'autre part, on arrête la pompe auxiliaire PHA ₂ , on ouvre le circuit de G _τ entre Cond et ABCD (par EV ₃ ) d'une part, entre CT' et Cond (par EV ₂ ) d'autre part, et on ouvre le circuit de L _τ entre CT' et ABCD (par EV ₁ . et EV _b .) , de sorte que :

* La vapeur de G _T contenue dans CT continue à s'expanser, de manière adiabatique, et refoule L _τ jusqu'au niveau bas dans CT puis à travers MH vers CT ¹ .

* l'enceinte ABCD en communication avec Cond est ramenée à la pression basse et L _τ , qu'elle contient dans sa partie inférieure, s'écoule vers CT ' ;

* les vapeurs de Gj contenues dans CT ' se condensent dans Cond.

Après plusieurs cycles, l'installation fonctionne à un régime permanent dans lequel la source chaude fournit en continu de la chaleur à la température T _h au niveau de l'évaporateur Evap, de la chaleur est délivrée en continu par le condenseur Cond au puits froid à la température T _b , et du travail est délivré en continu par la machine.

Dans ce cas préféré du cycle de Caraot modifié moteur de 2 ^ème type, il existe, pour un fluide de travail donné et pour n'importe quelle température du condenseur T _b , une valeur maximale de la température T _h-max de l'évaporateur telle que l'on vérifie l'égalité des volumes massiques v _c et v _a . Toutefois, si l'on dispose d'une source de chaleur à une température T _h bien supérieure à T _h . _ma χ, il est possible a priori d'avoir un meilleur rendement de la machine, soit en associant en cascade deux machines de Carnot modifiées motrices dans l'installation de l'invention, soit en utilisant dans l'installation, une machine de Carnot modifiée motrice du 1 ^er type. Dans une machine de Carnot modifiée motrice de 1 ^er type, le dispositif de pressurisation/détente placé entre le condenseur Cond et l'évaporateur Evap comprend une pompe hydraulique auxiliaire PHAi et une électrovanne EV ₃ en série. La figure 5 est une représentation schématique du dispositif. Les éléments identiques à ceux de la machine motrice de 2 ^eme type sont désignés par la même référence. L'électrovanne EV ₃ peut être remplacée par un simple clapet anti-retour, lui-même pouvant être intégré dans la pompe PHA ₁ . Le fluide de travail G _τ à l'état de liquide saturé en sortie du condenseur Cond est directement pressurisé par la pompe PHAi ^et introduit dans l'évaporateur Evap.

Sur la figure 5 la possibilité d'apport de chaleur à la température Tj aux niveaux des enceintes CT et CT' n'est pas représentée, mais elle reste possible comme sur la figure 2.

Les différentes étapes du cycle et l'état des actionneurs (électrovannes et pompe PHA ₁ ) sont détaillés ci-dessous et résumés dans les tableaux 5 et 6.

Tableau 5

Tableau 6

^er type sont décrites ci- dessous pour les points qui diffèrent de ce qui a été décrit ci-dessus pour le cycle de Carnot modifié moteur du 2

^eme type dans sa configuration générale. Le premier cycle est effectué à partir d'un état initial dans lequel le fluide de travail Gj est maintenu dans l'évaporateur Evap à haute température et dans le condenseur Cond à basse température par échange de chaleur respectivement avec la source chaude à T

_h et le puits froid à T

_b , et tous les circuits de communication du fluide de travail G

_τ et du liquide de transfert L

_τ sont obturés. À l'instant t

₀ on actionne la pompe hydraulique auxiliaire PHA

₁ et on ouvre (par EV

₃ ) le circuit de G

_T entre Cond et Evap de sorte qu'une partie de G

_τ , à l'état de liquide saturé ou sous-refroidi est aspiré par PHA

₁ dans la partie inférieure du condenseur Cond, et refoulé à l'état de liquide sous-refroidi dans Evap où il se réchauffe, puis on soumet G

_τ à une succession de cycles de Carnot modifiés, chacun desquels comprenant les étapes suivantes : Phase αβ (entre les instants t» et t

_j Q :

À l'instant précédant immédiatement t _α , le niveau de L _τ est bas (noté B) dans le cylindre CT, et haut (noté H) dans le cylindre CT'. Au même instant, la pression de vapeur saturante de G _T a une valeur basse P _b dans CT, et une valeur haute P _h dans Evap et CT'. C'est cet instant du cycle qui est représenté schématiquement à la figure 5.

À l'instant t _α , l'ouverture des électro vannes EVV, EV _2, EV ₃ EV _h . et EV _b et la mise en marche de PHAj provoquent les phénomènes suivants :

La vapeur saturée de G _τ sortant de l'évaporateur à P _h , pénètre dans CT' et refoule le liquide de transfert L _τ à un niveau intermédiaire (noté J). L _τ passe à travers le moteur MH en se détendant, ce qui produit du travail. Le travail nécessaire à PHAi est fourni par un moteur électrique indépendant, non représenté.

Dans une variante, la pompe PHAi peut être raccordée à l'axe du moteur hydraulique par l'intermédiaire de l'embrayage magnétique EM, de sorte que, durant cette étape, une partie du travail délivré par le moteur hydraulique est récupérée par la pompe PHAi.

Après avoir été détendu par MH, le liquide de transfert L _τ est refoulé dans CT. Dans CT, L _T passe du niveau bas au niveau intermédiaire (noté I), refoule les vapeurs de G _τ vers le condenseur où elles se condensent. Le fluide de travail G _τ à l'état de liquide saturé est aspiré par la pompe PHAi et refoulé à plus haute pression vers Evap où il entre à l'état de liquide sous- refroidi.

Sur le diagramme de Mollier (figure 6), cette étape correspond aux transformations simultanées suivantes: a -» b entre le condenseur et l'évaporateur; b -> bi → c dans l'ensemble Evap-CT'; d _vs — » e dans l'ensemble CT-Cond.

Il est préférable que la pompe hydraulique auxiliaire PHAi ne soit pas en marche et que l'électrovanne EV ₃ ne soit pas être ouverte s'il n'y a pas de liquide G _τ en amont de cette pompe. Un détecteur de niveau de liquide peut être disposé comme élément de sécurité pour arrêter la pompe et fermer l'électrovanne si nécessaire. L'évaporation de Gj dans Evap est compensée en continu par les apports de G _τ liquide venant du condenseur de sorte que le niveau de G _τ liquide dans l'évaporateur est à peu près constant. D'un point de vu énergétique, durant cette phase αβ, de la chaleur Q _h a été consommée au niveau de l'évaporateur à T _h , de la chaleur Q _de a été relâchée au niveau du condenseur à T _b (T _b < T _h ) et un travail W _αβ net a également été délivré à l'extérieur, ledit travail W _α p étant la différence entre le travail fourni par le moteur hydraulique MH et celui consommé par la pompe hydraulique auxiliaire PHAi. Phase βγ (entre les instants t _β et tγ) :

À l'instant t _β , c'est-à-dire lorsque le niveau de L ₁ a atteint les valeurs prédéfinies (I dans CT, J dans CT'), on ferme l'électrovanne EVV, on laisse EV ₂ , EV ₃ , EV _b et EV _h' ouvertes et la pompe PHAi en marche (si présence de G _τ liquide en amont). Il en résulte que : - La vapeur de Gx contenue dans CT' continue à s'expanser, mais de manière adiabatique (transformation c → d _vs sur le diagramme de Mollier, figure 6) et refoule toujours le liquide de transfert L _τ à travers le moteur MH dans le cylindre CT. Comme pour le mode de réalisation illustré par la figure 3, cette transformation peut être décomposée en une détente strictement adiabatique (c -> d) qui aboutit, selon le fluide G _τ utilisé, dans le domaine biphasique ou dans la vapeur surchauffée, suivie d'une légère surchauffe (d -» d _vs ) par les parois de CT' maintenues à une température suffisante pour le permettre (comprise entre T _b et T _h ). En raison de la montée du niveau de L _T (de I à H) dans CT, le reste des vapeurs de Gj dans CT se condense dans Cond (transformation e— »a). Comme pour l'étape précédente les condensats sont aspirés par PHAi au fur et à mesure qu'ils s'accumulent au fond du condenseur.

D'un point de vu énergétique, durant cette phase βγ, de la chaleur Q _ea est relâchée au niveau du condenseur à T _b , un peu de chaleur (prélevée sur la source chaude à Tj ₁ ) est consommée au niveau de CT' pour assurer la surchauffe d — » d _vs et un travail net Wp _γ est également délivré à l'extérieur.

L'autre moitié est symétrique : l'évaporateur et le condenseur sont le siège des mêmes transformations successives, tandis que les rôles des enceintes CT et CT' sont intervertis Phases γδ (entre les instants t^ et W) et δα (entre les instants U et O :

Elles sont équivalentes respectivement à la phase αβ et la phase βγ, mais avec interversion des enceintes de transfert CT et CT'.

Plus particulièrement : à l'instant I ₇ , on ferme les circuits ouverts à l'instant tp, excepté celui permettant le transfert de G _τ entre Cond et Evap (par EV ₃ ) , on ouvre le circuit de G _τ entre Evap et CT (par EVi) d'une part, entre CT' et Cond (par EV _2' ) d'autre part, et on ouvre le circuit permettant le transfert de L _T de CT vers CT' en passant par le moteur hydraulique MH (par EV _h et EV _b ) , de sorte que : * G _τ se réchauffe et s'évapore dans Evap et la vapeur saturée de G _τ sortant de Evap à la pression élevée P _h , pénètre dans CT et refoule L _τ à un niveau intermédiaire J ;

* L _τ passe à travers MH en se détendant, puis L _τ est refoulé vers CT' jusqu'au niveau intermédiaire I ; * les vapeurs de Gy contenues dans CT ¹ et refoulées par le liquide Lj se condensent dans Cond ;

* G _T à l'état de liquide saturé ou sous-refroidi arrive dans la partie inférieure du condenseur Cond où il est aspiré au fur et à mesure par PHAi, puis refoulé à l'état de liquide sous-refroidi dans Evap ; - à l'instant t _δ , on ferme le circuit de G _T entre Evap et CT (ie fermeture de EVi) de sorte que :

* La vapeur de G _T contenue dans CT continue à s'expanser, de manière adiabatique, et refoule L _τ jusqu'au niveau bas dans CT puis à travers MH vers CT' où il atteint le niveau haut ; * le reste des vapeurs de G _τ contenues dans CT ¹ et refoulées par le liquide Lj se condensent dans Cond ;

* Gx à l'état de liquide saturé ou sous-refroidi arrive dans la partie inférieure du condenseur Cond où il est aspiré au fur et à mesure par PHAi et enfin refoulé à l'état de liquide sous-refroidi dans Evap.

Après plusieurs cycles, l'installation fonctionne à un régime permanent dans lequel la source chaude fournit en continu de la chaleur à haute température T _h au niveau de l'évaporateur Evap, de la chaleur est délivrée en continu par le condenseur Cond au puits froid à T _b et du travail est délivré en continu par la machine. Dans cette configuration (dite de 1 ^er type), l'équation (1) liant les volumes massiques de G _τ dans les différentes étapes du cycle est toujours valable, soit : v _e - v _a = v _dvs - v _c (eq. 1)

Toutefois le volume massique de G _τ en sortie du condenseur, c-à-d à l'état de liquide saturé (point "a" dans le diagramme de Mollier) est toujours très inférieur à celui de G _τ en sortie de l'évaporateur, c-à-d à l'état de vapeur saturée ou surchauffée (point "c" ou "c _vs " dans le diagramme de Mollier) quelque soit l'écart en température entre T _h et T _b . Ainsi la double inégalité suivante est toujours vérifiée : v _a < v _e < v _dvs (inéq. 1)

Le point "e" est toujours compris entre les points "a" et "d _vs " dans le diagramme de Mollier et les températures T _b et T ₁ , peuvent être fixées de façon totalement indépendantes sans que cela affecte le fonctionnement de la machine de Carnot modifiée motrice de 1 ^er type.

La machine de Carnot modifiée motrice de 1 ^er type est plus simple dans son fonctionnement et comprend moins d'éléments constitutifs. Toutefois, comme pour le cycle de Rankine, la transformation b -» b _f génère des irréversibilités notables ce qui a un effet défavorable sur le rendement du cycle. Toutefois comme l'augmentation de l'écart (T _h -T _b ) a, à l'inverse, un effet positif sur ce rendement, il est possible, selon les conditions thermodynamiques et le fluide G _τ choisis, que le rendement de la machine de Carnot modifiée motrice de 1 ^er type soit finalement supérieur à celui de la machine de Carnot modifiée motrice de 2 ^ème type, y compris dans sa configuration préférée.

Lorsque le procédé de l'invention est une succession de cycles de Carnot modifiés récepteurs, la source de chaleur est à une température T _b inférieure à la température T _h du puits de chaleur. Chaque cycle est constitué par une succession d'étapes au cours desquelles il y a un changement de volume du fluide de travail G _τ . Cette variation de volume provoque ou est provoquée par un déplacement du liquide L _τ . Ainsi durant certaines étapes, l'installation consomme du travail et en restitue durant d'autres étapes, mais sur le cycle complet, il y a une consommation nette de travail fourni par l'environnement par l'intermédiaire d'une pompe hydraulique PH.

Dans une machine de Carnot modifiée réceptrice du 1 ^er type, l'étape de détente adiabatique est isenthalpique plutôt qu'isentropique. En effet le travail susceptible d'être récupéré durant la détente isentropique est faible en comparaison des travaux mis en jeu durant les autres étapes du cycle. La détente isenthalpique ne nécessite qu'un simple dispositif de détente adiabatique irréversible, le dispositif de pressurisation ou détente peut être un capillaire ou une vanne de détente. Dans un machine de Carnot modifiée réceptrice du 2 ^ème type, il est nécessaire que le dispositif de pressurisation et de détente soit une bouteille de compression/ détente adia- batique ABCD et les moyens de transfert associés. Ainsi dans cette configuration préférée du 1 ^er type, le coefficient de performance ou d'amplification de la machine de Carnot modifiée réceptrice sera légèrement diminué (tout en restant supérieur aux machines équivalentes de l'art antérieur) mais avec une simplification significative du procédé et un coût moindre. Lorsque le procédé de l'invention est une succession de cycles de Carnot modifiés récepteurs, la source de chaleur est à une température T _b inférieure à la température T _h du puits de chaleur. Chaque cycle est constitué par une succession d'étapes au cours desquelles il y a un changement de volume du fluide de travail Gj. Cette variation de volume provoque ou est provoquée par un déplacement du liqui- de L _τ . Ainsi durant certaines étapes l'installation consomme du travail et en restitue durant d'autres étapes, mais sur le cycle complet, il y a une consommation nette de travail fourni par l'environnement par l'intermédiaire d'une pompe hydraulique PH.

La figure 7 représente une vue schématique d'une machine de Carnot modifiée réceptrice de 2 ^ème type qui comprend un évaporateur Evap, un condenseur Cond, une enceinte de compression/détente isentropique ABCD, une pompe hydraulique PH et deux enceintes de transfert CT et CT'. Ces différents éléments sont reliés entre eux par un premier circuit contenant exclusivement le fluide de travail G _τ , et un second circuit contenant exclusivement le liquide de transfert L _τ . Lesdits circuits comprennent différentes ramifications obturables par des moyens comman- dés ou pas. Sur le mode de réalisation représenté sur la figure 7, les vannes commandées sont des électrovannes deux voies. D'autres types de vannes commandées peuvent cependant être utilisées, notamment des vannes pneumatiques, des vannes à tiroir, ou des clapets anti-retour. Certaines paires de vannes deux voies (c-à-d ayant une entrée et une sortie) peuvent être remplacées par des vannes trois voies (une entrée, deux sorties ou deux entrées et une sortie). D'autres associations de vannes possibles sont à la portée de l'homme de métier.

L'évaporateur Evap et le condenseur Cond contiennent exclusivement le fluide G _τ en général à l'état de mélange liquide/ vapeur. Toutefois, selon le fluide de travail G _τ et la température T _h du puits chaud, ledit fluide de travail G _τ peut se trouver dans le domaine supercritique à T _h et dans ces conditions le condenseur Cond ne contient que G _τ à l'état gazeux.

La pompe PH est traversée exclusivement par du liquide L _τ . Les éléments ABCD, CT et CT' constituent les interfaces entre les deux circuits (G _τ et Lj). Ils contiennent le fluide hydraulique de transfert Lj dans la partie inférieure et/ou le fluide de travail G _T à l'état liquide, vapeur ou mélange liquide-vapeur dans la partie supérieure. ABCD est relié à Cond et à Evap par des circuits contenant G _τ et obturables respectivement par les électrovannes EV ₃ et EV ₄ . Evap est relié à CT et CT ¹ par des circuits contenant G _T et obturables respectivement par les électrovannes EV ₁ et EVi-. Cond est relié à CT et CT' par des circuits contenant G _T et obturables respectivement par les électrovannes EV ₂ et EV ₂ -. Généralement le liquide traversant une pompe hydraulique circule toujours dans le même sens. C'est cette option la plus courante qui esl représenlée dans la figure 7. Cela implique que le liquide de transfert L _T à basse pression soit toujours raccordé sur la pompe PH à la même entrée (à gauche dans la figure 7) et que le liquide de transfert L _τ à haute pression soit toujours raccordé sur la pompe PH à la même sortie (à droite dans la figure 7). Comme les enceintes CT et CT' sont alternativement à haute pression et à basse pression, un jeu d'électro vannes permet de les connecter aux entrée/sortie adéquates de la pompe PH. Ainsi, la pompe PH est reliée en entrée (ou amont) à CT et CT' par un circuit contenant L _x à basse pression et obturable respectivement par les électrovannes EV _b et EV _b >, en sortie (ou aval) à CT et CT' par un circuit contenant L _τ à haute pression et obturable respectivement par les électrovannes EV _h et EV _h' . Par exemple si la haute pression se trouve dans l'enceinte CT' et la basse dans CT, les électrovannes EV _h - et EV _b sont ouvertes et les électrovannes EV _h et EV _b . fermées, le liquide de transfert s'écoule à travers PH de la gauche vers la droite. Durant l'autre moitié du cycle, la haute pression est alors dans CT et la basse pression dans CT', et les électro vannes EVj _1' et EV _b sont fermées et les électrovannes EV _h et EV _b' sont ouvertes mais le liquide de transfert traverse la pompe hydraulique dans le même sens (de gauche à droite).

ABCD est relié dans sa partie inférieure par deux branches en parallèle du circuit contenant le liquide de transfert L _τ . La branche obturable par l'électrovanne EVj est raccordée au circuit haute pression de L _τ , et la branche obturable par l'électrovanne EV _r est raccordée au circuit basse pression. Quand L _τ circule de ABCD vers l'enceinte de transfert CT ou CT', il s'écoule par gravité et il est donc nécessaire que ABCD se trouve au dessus des enceintes CT et CT'.

L'axe de la pompe hydraulique PH doit être raccordé à un ou plusieurs dispositifs moteurs (c'est-à-dire fournissant du travail) soit directement soit par l'intermédiaire d'un couplage classique, tel qu'un cardan, une courroie, un embrayage (magnétique ou mécanique). Par exemple dans la figure 7, l'axe AX est raccordé à un moteur électrique ME par l'intermédiaire d'un embrayage magnétique

EMi, tandis qu'un autre embrayage magnétique EM ₂ permet le couplage à d'autres moteurs tels qu'une turbine hydraulique, un moteur à essence ou diesel, un moteur à gaz, ou une machine de Carnot modifiée motrice. Enfin, si nécessaire, un volant d'inertie peut aussi être monté sur cet axe pour favoriser l'enchaînement des étapes réceptrices et motrices du cycle.

Le cycle de Carnot modifié récepteur suivi par le fluide moteur G _τ est décrit dans le diagramme de Mollier représenté sur la Figure 8.

Selon le fluide G _T retenu, l'étape de compression isentropique de la vapeur saturée en sortie de l'évaporateur peut conduire à un mélange biphasique ou à de la vapeur surchauffée. Dans la figure 8, le 1 ^er cas (mélange biphasique, assez rare) est représenté par la trajectoire entre les points "1" et "2" en pointillé et le 2 ^eme cas (vapeur surchauffée) par la trajectoire entre les points "1" et "2 _VS " en trait continu. Par ailleurs, quelque soit G _τ , la vapeur en sortie de l'évaporateur peut être légèrement surchauffée de telle sorte qu'après la compression isentropique il n'y ait que de la vapeur surchauffée ou à la limite saturée. Ce 3 ^eme cas est représenté dans la figure 8 par la trajectoire entre les points "l _vs " et "2 _VS " en trait mixte. Toute incursion en début ou en fin de compression isentropique dans le domaine de la vapeur surchauffée génère des irréversibilités et induit donc une légère diminution des coefficients de performance ou d'amplification du cycle. Comme pour la machine de Carnot modifiée motrice, il est possible de réaliser une surchauffe de G _τ en entrée de la compression isentropique, mais cela ne présente qu'un intérêt faible (éviter toute présence de G _τ liquide dans les enceintes CT ou CT') et seulement dans le cas où ladite compression isentropique aboutirait dans le domaine biphasique. Les solutions techniques pour réaliser cette surchauffe sont les mêmes que pour la machine motrice (résistance électrique, échange avec la source chaude à T _h ,...) et ne sont pas représentées dans la figure 7.

Le dispositif d'introduction du fluide de travail G _τ dans l'évaporateur est adapté pour que G _τ soit introduit à l'état liquide dans l'évaporateur mais après que le liquide saturé (point 3 du diagramme de Mollier, figure 8) se soit détendu, et donc en occupant plus de volume et avec un ciel gazeux au dessus du liquide restant (point 4 du diagramme de Mollier, figure 8). Une solution, parmi d'autres envisageables, consiste à introduire un tube d'aspiration flexible avec son extrémité aspi- rante fixée sur un flotteur dans ABCD et juste sous la ligne de flottaison. L'enceinte ABCD doit être placée au dessus du niveau de liquide de G _τ dans l'évaporateur (comme représenté sur la figure 7) et au dessus de CT et CT' de façon à ce que l'évacuation, soit de G _τ liquide, soit de L _τ dans un réservoir ou l'autre puisse se faire par gravité. Le cycle de Carnot modifié récepteur est constitué par 4 phases successives débutant respectivement aux instants t _α , t _γ , t _δ et t _λ . Seul le cycle l-2 _vs -3-4-5-l est décrit ci-dessous car la variante avec le point " l _vs " n'apporte aucune modification de principe.

À partir d'un état initial dans lequel tous les circuits de communication du fluide de travail G _τ et du liquide de transfert L _τ sont obturés, à l'instant t ₀ , on actionne la pompe hydraulique PH, puis on soumet Gj à une succession de cycles de Carnot modifiés, chacun desquels comprenant les étapes suivantes :

Phase αβγ

À l'instant précédant immédiatement t _α , le niveau de L _τ est haut (noté H) dans ABCD et le cylindre CT, et bas (noté B) dans le cylindre CT'. Au même instant, la pression de vapeur saturante de G _τ a une valeur haute P _h dans ABCD,

Cond et CT, et une valeur basse P _b dans Evap et CT'. C'est cet instant du cycle qui est représenté schématiquement dans la configuration de la figure 7.

À l'instant t _α , on ouvre les électrovannes EV _r , EV _b et EV _h -. La détente isentropique de Gx à l'état de mélange liquide/vapeur (mais avec une teneur massique de vapeur quasi nul) dans ABCD refoule L _τ à travers PH. Simultanément la très faible quantité de vapeur saturée et le liquide de transfert Lx contenus dans

CT suivent la même évolution de pression ce qui, compte tenu de la faible quantité de vapeur, ne s'accompagne pas d'une variation significative de niveau de L _τ dans CT. Le liquide de transfert L _τ en aval de PH comprime isentropiquement les vapeurs de G _τ contenues dans CT ¹ . Les pressions à l'amont et l'aval de la pompe PH s'équilibrent à l'instant t _p . Entre t _α et t _p il n'y a théoriquement aucune consommation nette de travail fourni par la pompe PH. La durée tp-t _α est courte car il n'y a durant cette étape aucun transfert de chaleur. À l'instant tp, on ouvre les électrovannes EVi et EV ₄ . Les conséquences sont: suite à l'ouverture de EV ₁ , la vapeur saturée de G _T sortant de l'évaporateur à P _h , pénètre dans CT et refoule le liquide de transfert Lj à un niveau intermédiaire (noté J). Ce liquide est aspiré et pressurisé par la pompe PH, ce qui consomme du travail net fourni par l'extérieur. En sortie de la pompe, Lj est refoulé vers le cylindre CT' (jusqu'au niveau I) ce qui permet de finir la compression isentropique de Gj jusqu'à la pression P _h . suite à l'ouverture de EV ₄ , le fluide de travail Gx à l'état de liquide saturé et à basse pression P _b s'écoule par gravité dans l'évaporateur Evap, ce qui fait plus que compenser en masse la sortie de Gj gazeux vers CT.

Durant cette phase αβγ les transformations suivantes ont été réalisées : la transformation 3 -> 4 dans ABCD; la transformation 4 -> 5 dans l'ensemble Evap-CT; la transformation 1 — » 2 _VS dans CT'. La compression est isentropique et on suppose qu'avec le fluide G _T utilisé elle aboutit dans le domaine de la vapeur surchauffée.

D'un point de vu énergétique, durant cette phase αβγ, de la chaleur Q ₄₅ a été pompée au niveau de l'évaporateur à T _b et un travail W _αPr a également été consommé par la pompe PH. Ce travail a été fourni par l'extérieur à puissance crois- santé à partir de tp puisque la pression en amont de la pompe reste quasi constante

(=P _b ) à partir de cet instant tandis que la pression en aval augmente de jusqu'à P _h .

Phase γδ

À l'instant t _y , c'est-à-dire lorsque le niveau de L _τ a atteint les valeurs prédéfinies (B dans ABCD, J dans CT et I dans CT'), on laisse EVi , EV _b et EV _h - ouvertes et simultanément on ouvre les électrovannes EV ₂ -, EV ₃ et EVj. Il en résulte que la vapeur de G _τ continue à être produite dans l'évaporateur, à s'expanser dans CT (transformation 5 -> 1), ce qui refoule toujours le liquide de transfert aspiré par la pompe dans le cylindre CT' cette fois connecté au condenseur. Les vapeurs de G _τ contenues dans CT' se désurchauffent (en partie dans CT') et se condensent totalement dans le condenseur (transformation 2 _VS — > 3) où elles ne s'accumulent pas car elles sont évacuées par gravité vers ABCD. Parallèlement, une partie du liquide de transfert L _τ en sortie de la pompe est refoulée vers ABCD pour y rétablir le niveau haut de Lj-

D'un point de vu énergétique, durant cette phase αβ, de la chaleur Q ₅₁ est pompée au niveau de l'évaporateur à T _b , de la chaleur Q ₂₃ est relâchée au niveau du condenseur à T _h (avec T _h > T _b ) ce qui nécessite un travail W _γδ fourni par l'extérieur. Ce travail est à puissance quasi constante puisque les pressions en amont et aval de la pompe sont également pratiquement constantes (avec des échangeurs de chaleur non limitants au niveau du condenseur et de l'évaporateur). À l'instant t§ on se trouve à la moitié du cycle. L'autre moitié est symétrique : l'évaporateur, le condenseur et l'enceinte ABCD sont le siège des mêmes transformations successives, tandis que les rôles des enceintes CT et CT' sont intervertis.

Phase δελ (entre les instants U et U) et phase λα (entre les instants t^ et t»)

Elles sont équivalentes respectivement à la phase αβγ et à la phase γδ, mais avec interversion des enceintes de transfert CT et CT'.

Plus particulièrement : à l'instant t _δ , on ferme tous les circuits ouverts à l'instant t _y , on ouvre les circuits de L _τ permettant le transfert de L _τ (par EV ₁ .) d'une part depuis l'enceinte ABCD vers l'amont de la pompe hydraulique PH, et d'autre part depuis CT' vers CT en passant par la pompe hydraulique PH (par EV _b - et

EVj ₁ ), de sorte que :

* G _τ à l'état d'équilibre liquide/vapeur dans ABCD et dans CT' se détend de la pression haute P _h à la pression basse P _b et refoule Lj à travers PH dans CT; * les vapeurs de G _τ contenues dans CT sont comprimées adiabatiquement. à l'instant tg, on ouvre le circuit de G _τ entre Evap et CT' (par EV _r ) d'une part, entre ABCD et Evap (par EV ₄ ) d'autre part, de sorte que :

* L _τ est aspiré par la pompe PH qui le pressurise et le refoule dans CT ;

* les niveaux de L _τ dans ABCD, CT et CT' passent respectivement de haut à bas, bas à un niveau intermédiaire I, et haut à un niveau intermédiaire

J ;

* du fait que le volume occupé par les vapeurs de G _τ dans CT' augmente, G _τ s'évapore dans Evap et la vapeur saturée de G _τ sortant de Evap à la pression faible P _b pénètre dans CT' ; * les vapeurs de Gx contenues dans CT continuent à être comprimées adiabatiquement jusqu'à la pression haute P _h ;

* G _τ à l'état de liquide saturé à la pression basse P _b s'écoule par gravité de ABCD vers Evap ; - à l'instant t _λ , on ferme le circuit de G _τ entre ABCD et Evap (par EV ₄ ) , on ferme le circuit de L _τ entre ABCD et l'amont de la pompe PH (par EV _r ) , on ouvre le circuit de Gj entre CT et Cond (par EV ₂ ) d'une part, entre Cond et ABCD (par EV ₃ ) d'autre part, et on ouvre le circuit de Lj entre l'aval de la pompe PH et ABCD par (EVj), de sorte que : * Lj est encore aspiré par la pompe PH qui le pressurise et le refoule dans

CT;

* les niveaux de L _τ dans ABCD, CT et CT' passent respectivement de bas à haut, du niveau intermédiaire I à haut, et du niveau intermédiaire J à bas; * du fait que le volume occupé par les vapeurs de GT dans CT' continue à augmenter, GT s'évapore dans Evap et la vapeur saturée de G _τ sortant de Evap à la pression faible P _b pénètre dans CT';

* les vapeurs de GT contenues dans CT, à haute pression P ₁ ,, sont refoulées par LT et se condensent dans Cond; * G _τ à l'état de liquide saturé s'écoule par gravité de Cond vers ABCD.

Après plusieurs cycles, l'installation fonctionne à un régime permanent.

Pour la production de froid, à l'état initial, G _τ esl maintenu dans le condenseur Cond à haute température par échange de chaleur avec le puits chaud à Tj ₁ , et dans l'évaporateur Evap à une température inférieure ou égale à T _h par échange de chaleur avec un milieu externe à la machine, ledit milieu ayant initialement une température T _h . En régime permanent, un travail net est consommé par la pompe hydraulique PH, le condenseur Cond évacue en continu de la chaleur vers le puits chaud à haute température T _h , et de la chaleur est consommée en continu par l'évaporateur Evap, avec production de froid vers le milieu extérieur en contact avec ledit évaporateur Evap, la température T _b dudit milieu extérieur étant inférieure strictement à T _h .

Pour la production de chaleur, à l'état initial, G _τ est maintenu dans l'évaporateur Evap à basse température par échange de chaleur avec la source froide à T _b , G _τ est maintenu dans le condenseur Cond à une température T _h > T _b par échange de chaleur avec un milieu externe à la machine, ledit milieu ayant initialement une température > T _h . En régime permanent, un travail net est consommé par la pompe hydraulique PH, la source froide à T _b apporte de la chaleur en continu à l'évaporateur Evap, le condenseur Cond évacue en continu de la chaleur vers le puits chaud, l'installation produisant de la chaleur vers le milieu extérieur en contact avec ledit condenseur Cond, le milieu extérieur ayant une température T _h > T _b .

À l'issue de la phase λα, la machine de Carnot modifiée réceptrice du 2 ^ème type se retrouve à l'état α du cycle. Les diverses transformations thermodynamiques suivies par le fluide Gj, et les niveaux du liquide de transfert Lj sont résumés dans le tableau 7. L'état des électrovannes est résumé dans le tableau 8, dans lequel "x" signifie que la vanne correspondante est ouverte.

Tableau 7

Étape Transformation Lieu Niveau de L _τ

CT CT ¹ ABCD αβγ 3 →4 ABCD H →JB→l H →B

4 →5 Evap + CT

1 → 2 _VS CT ¹ γδ 5 → 1 Evap + CT J →BI→HB →H

2». ,→3 CT ' + Cond + ABCD δελ 3 →4 ABCD B →l H→ JH →B

4 →5 Evap + CT '

1 - →2 _VS CT λα 5 → 1 Evap + CT ' I- →HJ→BB →H

2 _VS →3 CT + Cond + ABCD

Tableau 8

La consommation de travail est continue pendant la durée du cycle (hormis entre les instants t _α et tp d'une part, t _δ et tg d'autre part), mais pas toujours à puissance constante dans la mesure où la différence de pression aux bornes de la pompe hydraulique peut varier. Bien entendu, la puissance moyenne sur un cycle reste constante d'un cycle à l'autre, lorsqu'un régime permanent de fonctionnement est atteint et si les températures T _h et T _b restent constantes. Par ailleurs, le condenseur est isolé du reste du circuit pendant les phases αβγ et δελ alors que l'évacuation de chaleur au niveau du puits chaud à T _h est a priori continue. Dans ces conditions il y aura durant ces phases d'isolement une chute en température et donc en pression dans le condenseur puis une brusque remontée aux instants I ₇ et t _λ de réouverture des vannes EV ₂ ou EV ₂ -. Le liquide de transfert L _τ étant incompressible, les variations de niveau qui interviennent simultanément dans les trois enceintes ABCD, CT et CT' ne sont pas indépendantes. Par ailleurs ces variations de niveau de Lx résultent ou impliquent des variations concomitantes de volume du fluide G _T . Cela se traduit par l'équation suivante entre les volumes massiques de Gx à différents stades du cycle représenté sur la Figure 8 :

V ₅ - V ₃ = V ₁ - V _2Vs (eq. 2)

Vj étant le volume massique de G _τ à l'état thermodynamique du point "i", "i" étant respectivement les points 5, 3, 1 et 2 _VS . Des exemples de courbe à volume massique constant sont représentés en trait mixte dans la figure 8. À la différence du cycle de Carnot modifié moteur de 2 ^ème type, il n'existe pas ici de limite à l'écart en température entre la source froide à T _b et le puits chaud à T _h . Comme le volume massique au point "3" est toujours le plus faible du cycle, on a toujours, quelque soit T _h et T _b , la double inégalité suivante :

V ₄ < V ₅ < Vi (inéq. 2) Dans une machine de Carnot modifiée réceptrice du 1 ^er type, le dispositif de pressurisation/détente est intercalé en série entre le condenseur Cond et l'évapora- teur Evap, il comprend un simple dispositif de détente comme par exemple une vanne de détente VD, ou un capillaire et éventuellement en série une électro vanne EV ₃ . Un tel dispositif est représenté sur la figure 9, sur laquelle les légendes ont la même signification que les autres figures, et l'association VD et EV ₃ constitue le dispositif de détente. Le fluide de travail G _x à l'état de liquide saturé en sortie du condenseur Cond est directement détendu et introduit dans l'évaporateur Evap. Un exemple d'un tel cycle de Carnot modifié récepteur de 1 ^er type est représenté schématiquement par le cycle l-2 _vs -2 _g -3-4-5-l dans le diagramme de Mollier de la figure 10. Les différentes étapes du cycle et l'état des électrovannes sont détaillés ci- dessous et résumés dans les tableaux 9 et 10. L'électro vanne EV ₃ n'est pas indispensable puisque lorsque la machine est en fonctionnement elle est toujours ouverte. Son seul intérêt est de pouvoir isoler le condenseur de l'évaporateur à l'arrêt de la machine.

Tableau 9

Électrovannes ouvertes

Étape EV ₁ EV ₁ . EV ₂ EV ₂ ^ EV ₃ EV _b EV _h FV _b . EV _h . αβ XXXX

Pr XXXXX γδ XXXX δα XXXXX

Les étapes du cycle de Carnot modifié récepteur du 1 ^er type sont détaillées ci- dessous dans la mesure où elles diffèrent de celles décrites ci-dessus pour le cycle de Carnot modifié récepteur du 2 ^ème type.

A partir d'un état initial dans lequel tous les circuits de communication du fluide de travail Gj et du liquide de transfert L _T sont obturés, l'instant t ₀ , on actionne la pompe hydraulique PH et ouvre le circuit de G _τ entre Cond et Evap (par

EV ₃ ), et l'on soumet G _τ à une succession de cycles de Carnot modifiés, chacun desquels comprenant les étapes suivantes : Phase αβ (entre les instants t» et t _β ) :

À l'instant précédant immédiatement t _α , le niveau de L _τ est haut (noté H) dans le cylindre CT, et bas (noté B) dans le cylindre CT'. Au même instant, la pression de vapeur saturante de G _τ a une valeur haute P _h dans Cond et CT, et une valeur basse P _b dans Evap et CT ¹ . C'est cet instant du cycle qui est représenté schématiquement à la figure 9.

À l'instant t _α , l'ouverture des électrovannes EVi, EV _{3 ;} EV _b et EV _h' a pour conséquences:

La vapeur saturée de G _τ sortant de l'évaporateur à P _b , pénètre dans CT et refoule le liquide de transfert L _τ à un niveau intermédiaire (noté J). L _x est aspiré par la pompe PH qui le pressurise ce qui consomme du travail. Après avoir été pressurisé par PH, le liquide de transfert L _x est refoulé dans CT'. Dans CT', L _x passe du niveau bas au niveau intermédiaire (noté I) et comprime de façon isentropique les vapeurs de G _x contenues dans cette enceinte. suite à l'ouverture de EV ₃ , le fluide de travail G _x à l'état de liquide saturé et à haute pression P _h est détendu par la vanne V _D puis introduit à l'état de mélange biphasique dans l'évaporateur Evap, ce qui compense en masse la sortie de G _x gazeux vers CT. Sur le diagramme de Mollier (figure 10), cette étape correspond aux transformations simultanées suivantes: la transformation 3 — > 4 entre Cond et Evap; la transformation 4 — > 5 dans l'ensemble Evap-CT; la transformation 1 — > 2 _VS dans CT'. Comme précédemment, le fluide de travail G _x retenu est supposé aboutir à l'issue de cette transformation isentropique dans le domaine de vapeur surchauffée.

D'un point de vu énergétique, durant cette phase αβ, de la chaleur Q ₄₅ a été pompée au niveau de l'évaporateur à T _b et un travail W _α pa également été consommé par la pompe PH. Ce travail a été fourni par l'extérieur à puissance croissante puisque la pression en amont de la pompe reste quasi constante (=P _b ) tandis que la pression en aval augmente de jusqu'à P _h .

Phase βγ (entre les instants t^ et tγ) :

À l'instant t _p , c'est-à-dire lorsque le niveau de L _x a atteint les valeurs prédéfinies (J dans CT et I dans CT'), on laisse EV ₁ , EV ₃ , EV _b et EV _h - ouvertes et on ouvre l'électrovanne EV ₂ -. Il en résulte que la vapeur de G _x continue à être produite dans l'évaporateur, à s'expanser dans CT (transformation 5— >l), ce qui refoule toujours le liquide de transfert aspiré par la pompe dans le cylindre CT' cette fois connecté au condenseur. Les vapeurs de G _τ contenues dans CT' se désurchauffent (soit la transformation 2 _VS — »2 _g en partie dans CT') et se condensent totalement dans le condenseur (transformation 2 _vs →2 _g →3). Le fluide G ₇ à l'état de liquide saturé est détendu par V _D et introduit dans l'évaporateur.

D'un point de vu énergétique, durant cette phase βγ, de la chaleur Q ₅₁ est pompée au niveau de l'évaporateur à T _b , de la chaleur Q ₂₃ est relâchée au niveau du condenseur à T _h (avec T _h > T _b ) ce qui nécessite un travail W _γδ fourni par l'extérieur. Ce travail est à puissance quasi constante puisque les pressions en amont et aval de la pompe sont également pratiquement constantes (avec des échangeurs de chaleur non limitants au niveau du condenseur et de l'évaporateur).

À l'instant t _γ on se trouve à la moitié du cycle. L'autre moitié est symétrique : l'évaporateur, le condenseur sont le siège des mêmes transformations successives, tandis que les rôles des enceintes CT et CT' sont intervertis.

Phase γδ (entre les instants t _γ et tg) et phase δα (entre les instants ts et t _α ) :

Elles sont équivalentes respectivement à la phase αβ et à la phase βγ, mais avec interversion des enceintes de transfert CT et CT'.

Plus particulièrement : - à l'instant I ₇ , on ferme tous les circuits ouverts à l'instant tp, excepté le circuit de G _τ entre Cond et Evap, on ouvre (par EV _b . et EV _h ) Ic circuit de L _τ permettant le transfert de L _τ depuis CT ¹ vers CT en passant par la pompe hydraulique PH, et on ouvre (par EVi ) le circuit de Gj entre Evap et CT ¹ , de sorte que : * L _τ est aspiré par la pompe PH qui le pressurise et le refoule dans CT ;

* le niveau de Lj dans CT passe de bas à un niveau intermédiaire I, et dans CT ¹ de haut à un niveau intermédiaire J ;

* le volume occupé par les vapeurs de G _τ dans CT' augmentant, le fluide de travail Gj s'évapore dans Evap et la vapeur saturée de Gx sortant de Evap à la pression faible P _b pénètre dans CT ¹ ;

* les vapeurs de G _τ contenues dans CT sont comprimées adiabatiquement jusqu'à la pression haute P _h ;

* G _T à l'état de liquide saturé ou sous-refroidi dans Cond et à la pression haute P _h se détend de façon isenthalpique et est introduit à l'état de mélange biphasique liquide/vapeur et à la pression basse Pb dans l'évaporateur Evap ; à l'instant t _δ , on ouvre le circuit de G _τ entre CT et Cond (par EV ₂ ) , de sorte que : * L _T est encore aspiré par la pompe PH qui le pressurise et le refoule dans

CT ;

* le niveau de L _τ dans CT passe du niveau intermédiaire I à haut, et dans CT' du niveau intermédiaire J à bas ;

* du fait que le volume occupé par les vapeurs de Gj dans CT' continue à augmenter, G _T s'évapore dans Evap et la vapeur saturée de Gx sortant de

Evap à la pression faible P _b pénètre dans CT' ;

* les vapeurs de Gj contenues dans CT, à haute pression Pj ₁ , sont refoulées par L _τ et se condensent dans Cond ;

Après plusieurs cycles, l'installation fonctionne à un régime permanent. Pour la production de froid : à l'état initial, G _τ est maintenu dans le condenseur Cond à haute température par échange de chaleur avec le puits chaud à T _h , et dans l'évaporateur Evap à une température inférieure ou égale à T _h par échange de chaleur avec un milieu externe à la machine, ledit milieu ayant initialement une température inférieure ou égale à T _h ; et en régime permanent, un travail net est consommé par la pompe hydraulique PH, le condenseur Cond évacue en continu de la chaleur vers le puits chaud à haute température T _h , et de la chaleur est consommée en continu par l'évaporateur Evap, c'est-à-dire qu'il y a une production de froid vers le milieu extérieur en contact avec ledit évaporateur Evap, la température T _b dudit milieu extérieur étant inférieure strictement à T _h - Pour la production de chaleur : à l'état initial, G _τ est maintenu dans l'évaporateur Evap à basse température par échange de chaleur avec la source froide à T _b , dans le condenseur Cond à une température supérieure ou égale à T _h par échange de chaleur avec un milieu externe à l'installation à une température supérieure ou égale à T _h ; et en régime permanent, un travail net est consommé par la pompe hydraulique PH, la source froide à T _b apporte de la chaleur en continu à Evap, et Cond évacue en continu de la chaleur vers le puits chaud, c'est-à-dire qu'il y a une production de chaleur vers le milieu extérieur en contact avec Cond, la température T _h dudit milieu extérieur étant supérieure strictement à T _b .

Dans cette configuration (dite réceptrice de 1 ^er type), l'équation (2) et l'inéquation (2) liant les volumes massiques de G _τ dans les différentes étapes du cycle sont toujours valables. La machine de Camot modifiée réceptrice de 1 ^er type est plus simple dans son fonctionnement et comprend moins d'éléments constitutifs. Toutefois, comme pour un cycle classique à compression mécanique de vapeur, les transformations

3-»4 et 2 _VS — »2 _g génèrent quelques irréversibilités, ce qui a un effet défavorable sur les coefficients de performance ou d'amplification du cycle. Néanmoins comme cette dégradation est modérée, cette configuration de 1 ^er type est préférée pour la machine de Carnot modifiée réceptrice. En effet bien que cette machine de Carnot modifiée réceptrice de 1 ^er type se rapproche des machines classiques à compression mécanique de vapeur, elle garde encore deux avantages décisifs: - l'étape de compression adiabatique (1-»2 _VS ) a un rendement de compression isentropique supérieur, elle est moins bruyante et plus fiable ; la même machine, moyennant des adaptations légères pourra fonctionner en mode moteur ce qui n'est pas possible avec les machines de l'art antérieur.

Le choix de l'un ou l'autre type de machine réceptrice sera effectué en fonction des moyens dont on dispose, notamment de la température de la source et du puits de chaleur, et du fluide de travail Gj, et du résultat visé.

Une même machine de Carnot modifiée peut assurer alternativement, selon le choix de l'utilisateur, soit la fonction de moteur, soit la fonction de récepteur. Dans ce cas, ladite machine de Carnot modifiée sera qualifiée "polyvalente". Cette possibilité implique que la machine possède les éléments constitutifs nécessaires pour satisfaire chacun des deux modes de fonctionnement (moteur ou récepteur) comme décrit précédemment et des éléments supplémentaires permettant de commuter d'un mode sur l'autre, les deux modes ne pouvant fonctionner simultanément. De nombreux éléments constitutifs nécessaires à chaque mode peuvent être identiques; il s'agit des éléments Cond, Evap, CT, CT', la plupart des vannes commandées et certaines parties des circuits de G _τ et L _τ . Il est donc inutile de dupliquer ces éléments dans la machine de Carnot modifiée polyvalente. D'autres éléments sont spécifiques d'un mode. Par exemple le dispositif DPD associant l'enceinte ABCD et les électrovannes EV ₃ et EV ₄ , tel que décrit dans la figure 2, permet le fonctionnement en mode moteur de 2 ^eme type mais pas le fonctionnement en mode récepteur de 2 ^ème type , tel que décrit dans la figure 7. La réciproque n'est pas vraie: le dispositif DPD associant l'enceinte ABCD et les électrovannes EV ₃ et EV ₄ , tel que décrit dans la figure 7, permet le fonctionnement en mode récepteur de 2 ^ème type ou moteur de 2 ^eme type. Un deuxième exemple d'incompatibilité d'usage dans les deux modes concerne encore les dispositifs DPD mais pour les machines de Carnot modifiées de 1 ^er type: la pompe hydraulique auxiliaire PHA ₁ (figure 5) ne peut pas assurer la fonction de détente du fluide de travail comme la vanne de détente VD ou le capillaire C (figure 9) et vice-versa. De la même façon le convertisseur hydraulique est soit une pompe soit un moteur. Il existe toutefois des convertisseurs qui peuvent assurer les deux fonctions selon le sens de circulation du fluide.

La figure 11 représente schématiquement une machine de Carnot modifiée polyvalente pouvant assurer au choix de l'utilisateur soit la fonction de machine de Carnot modifiée motrice de 1 ^er type, soit la fonction de machine de Carnot modifiée réceptrice de 1 ^er type. Les trois autres combinaisons des deux types sont également possibles : motrice et réceptrice de 2 ^eme type, motrice de 1 ^er type et réceptrice de 2 ^eme type, motrice de 2 ^eme type et réceptrice de 1 ^er type. La sélection du mode de fonctionnement (moteur ou récepteur) ne nécessite pas de moyens sophistiqués. Par exemple, dans la figure 11, les électrovannes EV _3M ^e t EV _3R sont ouverte et fermée (respectivement fermée et ouverte) si le mode moteur est sélectionné (respec- tivement le mode récepteur). Ces deux électrovannes EV _3M et EV _3R peuvent être remplacées par une vanne trois voies. Enfin, toujours sur cet exemple de la figure 11, la pompe hydraulique et le moteur hydraulique sont considérés comme deux convertisseurs hydrauliques distincts; selon le mode sélectionné de fonctionnement, moteur ou récepteur, l'un ou l'autre des convertisseurs est actif en fonction de l'ouverture de l'électrovanne trois voies EV _RM , la dite EV _RM pouvant être remplacée par deux électrovannes deux voies ou tout autre actionneur sur le circuit du liquide de transfert.

Dans un mode de réalisation particulier, une machine de Carnot modifiée peut être couplée avec un dispositif complémentaire, par un couplage thermique ou par un couplage mécanique.

Une machine de Carnot modifiée motrice ou réceptrice selon l'invention peut être couplée thermiquement au niveau de son condenseur et/ou de son évaporateur à un dispositif complémentaire. Le couplage thermique peut être effectué par l'intermédiaire d'un fluide caloporteur ou d'un caloduc, ou par contact direct ou par rayonnement.

Le dispositif complémentaire peut être une machine thermodynamique motrice ou réceptrice. Les deux cas les plus intéressants concernent le couplage d'une machine de Carnot modifiée motrice et d'une machine thermodynamique motrice ou le couplage d'une machine de Carnot modifiée réceptrice et d'une machine thermo- dynamique réceptrice. Dans les deux cas la machine thermodynamique (motrice ou réceptrice) reçoit de la chaleur du condenseur de la machine de Carnot modifiée (respectivement motrice ou réceptrice) ou donne de la chaleur à l'évaporateur de la machine de Carnot modifiée (respectivement motrice ou réceptrice). Lesdites machines thermodynamiques motrice ou réceptrice peuvent être une 2 ^eme machine de Carnot modifiée motrice (du 1 ^er type ou du 2 ^eme type) ou réceptrice différente de la première (du 1 ^er type ou du 2 ^eme type).

Un mode de réalisation d'un couplage thermique entre deux machines de Carnot modifiées motrices est illustré schématiquement sur les figures 12a et 12b. La figure 12a représente les niveaux de température des sources et puits de chaleur et le sens des échanges de chaleur et de travail entre les machines ou avec l'environnement. Une première machine dite haute température (HT) fonctionne entre une source de chaleur à la température T _h et un puits de chaleur à la température intermédiaire T _m i, et elle contient un fluide de travail G _T j. Une seconde machine, dite basse température (BT) fonctionne entre une source de chaleur à T _m2 et un puits de chaleur à la température T _b , et elle contient un fluide de travail G _T2 . Les températures sont telles que Th>T _ml >T _m2 >T _b >T _am bi _an te- Si les transferts de chaleur au niveau du condenseur de la machine HT et de l'évaporateur de la machine BT sont infiniment efficaces (en raison d'une surface d'échange et/ou de coefficients d'échange infinis) les température T _ra i et T _m2 sont pratiquement égales. Dans tous les cas, dans cette association dite "en cascade thermique", la quantité de chaleur Q _h est fournie à la machine HT à la température T _h pour l'évaporation du fluide G _T i, la quantité de chaleur Q _ml libérée par la condensation de G _T i dans le condenseur de la machine HT à la température T _m i est transférée entièrement (Q _ml = Qπώ) ou partiellement (Q _n , i > Q _m2 ) à l'évaporateur de la machine BT pour l'évaporation du fluide G _τ2 à la température T _m2 et la chaleur Q _b produite à la température T _b par la condensation du fluide G _T2 est transmise à l'environnement. Lorsque seule la production de travail est recherchée, le transfert de chaleur entre la source à T _ml et le puits à T ₁₁₁₂ est intégral, c'est-à-dire qu'il y a égalité de Q _m i et Q _m2 , noté simplement Q _m dans ce cas. Lorsque l'on cherche une cogénération de travail et de chaleur à un niveau de température suffisant tel que T _ml , alors le transfert de chaleur entre la source à T _m i et le puits à T ₁₁₁₂ est partiel, c'est-à-dire que Q _ml est supérieur à Q _m2 et que la différence est délivrée à l'utilisateur.

Éventuellement les fluides de travail Gj i et Gj ₂ peuvent être identiques.

Parallèlement, les quantités de travail Wi et W ₂ sont fournies respectivement par la machine HT et la machine BT. Le rendement global ((Wi+W ₂ )/Q _h ) de l'association en cascade des deux machines modifiées motrices n'est pas nécessairement égal, mais plutôt inférieur, en général, à celui d'une machine de Carnot modifiée motrice seule fonctionnant entre les mêmes températures extrêmes T _h et T _b représentée schématiquement sur la figure 12b. En fait, ces deux rendements sont égaux à la quadruple condition que les deux machines de Carnot modifiées soient de 2 ^eme type, fonctionnent idéalement, c'est-à-dire sans irréversibilités, que les températures T _ml et T _n ^ soient confondues et qu'il y ait récupération intégrale de chaleur (Q _m i = Q ₁₁₁₂ ) à cette température intermédiaire T _m .

L'association en cascade thermique de machines de Carnot modifiées motrices peut impliquer des machines de mêmes types (1 ^er ou 2 ^ème ) ou de types différents.

Un 1 ^er avantage de l'association en cascade de deux machines de Carnot mo- difiées motrices de 2 ^eme type réside dans le fait que l'amplitude de température T _h -T _b n'est plus limitée comme lors de l'utilisation d'une seule machine de Carnot modifiée motrice de 2 ^eme type (dû à la condition sur les volumes massiques exprimée par l'équation (I)). De ce fait le rendement global de l'association en cascade peut toujours devenir supérieur à celui de la machine seule lorsque l'écart (T _h -T _b ) de ladite association devient supérieur à l'écart maximal permis pour ladite machine seule.

Un 2 ^eme avantage de l'association en cascade de deux machines de Carnot modifiées motrices, de 1 ^er ou de 2 ^eme type, est que l'amplitude de pression de chacun des fluides de travail Gχi et Gj ₂ est plus faible que celle du fluide de travail de l'unique machine de Carnot modifiée motrice (de 1 ^er ou de 2 ^eme type) fonctionnant entre les mêmes températures extrêmes T _h et T _b .

Un couplage en cascade peut être effectué à l'aide de plus de deux machines de Carnot modifiées motrices, selon le même principe. La l ^ere machine est alimentée en chaleur à la température la plus élevée T _h pour l'évaporation d'un fluide de travail, et la dernière machine de la cascade libère vers l'environnement, la chaleur générée par la condensation à la température la plus faible T _b , T _b étant néanmoins supérieure à la température dudit environnement. Entre ces deux machines extrêmes, chaque machine intermédiaire reçoit la chaleur libérée par la condensation du fluide de travail de la machine que la précède, et transfère la chaleur libérée par la condensation de son propre fluide de travail à la machine qui la suit. Chaque machine fournit une quantité de travail à l'environnement.

Deux machines de Carnot modifiées réceptrices peuvent être couplées en cascade d'une manière analogue à celle décrite ci-dessus pour les machines motrices. Les flux de travail et de chaleur sont en sens inverse de ceux représentés à la figure 12a. L'association en cascade de deux machines de Camot modifiées réceptrices présente l'avantage non négligeable d'une réduction de l'amplitude de pression de chacun des fluides de travail G _T i et G _T2 par rapport à celle du fluide de travail constatée dans une machine de Carnot modifiée réceptrice unique, qu'elle soit de 1 ^er ou de 2 ^ème type, et fonctionnant entre les mêmes températures extrêmes T _b et T _h .

Une machine de Carnot modifiée selon l'invention peut être couplée mécaniquement à un dispositif complémentaire au niveau du moteur hydraulique si la machine est motrice ou de la pompe hydraulique si la machine est réceptrice. Le couplage mécanique peut être effectué par l'intermédiaire par exemple d'une courroie, d'un cardan, d'un embrayage magnétique ou pas, ou directement sur l'arbre du moteur hydraulique ou de la pompe hydraulique.

Le dispositif complémentaire peut être un dispositif moteur, par exemple un moteur électrique, une turbine hydraulique, une éolienne, un moteur à essence, un moteur à gaz, un moteur diesel, ou autre machine de Carnot modifiée motrice. Le dispositif complémentaire peut être un dispositif récepteur, par exemple une pompe hydraulique, un véhicule de transport, un alternateur, une pompe à chaleur à compression mécanique de vapeur, un compresseur à air, ou une autre machine de Carnot modifiée réceptrice.

Le dispositif complémentaire peut en outre être un dispositif moteur- récepteur tel qu'un volant d'inertie par exemple.

Un mode de réalisation particulièrement préféré de couplage mécanique consiste à coupler une machine de Carnot modifiée motrice et une machine de Carnot modifiée réceptrice.

Un 1 ^er mode de réalisation d'une installation comprenant une machine de Carnot modifiée motrice couplée mécaniquement à une machine de Carnot modifiée réceptrice, est représenté schématiquement sur la figure 13 avec les niveaux de température des sources et puits de chaleur et le sens des échanges de chaleur et de travail.

La machine motrice contient un fluide de travail G _TJ . Elle reçoit une quantité de chaleur Qj, à partir d'une source à la température Tj ₁ , elle libère une quantité de chaleur Q _1nM à une température T _mM et un travail W. La température T _h de la source est nécessairement supérieure à la température T _mM du puits de chaleur.

La machine réceptrice contient un fluide de travail G _T2 - Elle libère une quantité de chaleur Q _mR à une température T _1nR . Elle reçoit une quantité de chaleur Q _b à partir d'une source à la température T _b et le travail W libéré par la machine motrice. La température T _b de la source est nécessairement inférieure à la température T _mR du puits de chaleur.

Les deux applications principales visées par une telle association qui n'utilise comme seule source d'énergie que de la chaleur à T _h , sont : la production de froid à T _b . Dans ce cas T _b < T _a r _ant < T _1nR la production de chaleur à T _mR et T _mM . Par exemple pour le chauffage de l'habitat, c'est-à-dire lorsque T _b est la température ambiante à l'extérieur Tambiant_extérieur _> les deux températures moyennes T _mM et T _m R sont égales et le coefficient d'amplification (Q _mR +Q _mM )/Q _h est supérieur à 1.

Un 2 ^eme mode de réalisation d'une installation comprenant une machine de

Carnot modifiée motrice couplée mécaniquement à une machine de Carnot modifiée réceptrice, est représenté schématiquement sur la figure 14 avec les niveaux de température des sources et puits de chaleur et le sens des échanges de chaleur et de travail.

La machine motrice contient un fluide de travail G _T2 - Elle reçoit une quantité de chaleur Q _1nM à partir d'une source à la température T _m , elle libère une quantité de chaleur Q _b à une température T _b et un travail W. La température T _m de la source est nécessairement supérieure à la température T _b du puits de chaleur. La machine réceptrice contient un fluide de travail Gy ₁ . Elle libère une quantité de chaleur Q _h à une température T _h . Elle reçoit une quantité de chaleur Q _mR à partir de la source à la température T _m et Ic travail W libéré par la machine motrice. La température T _m de la source est nécessairement inférieure à la température T _h du puits de chaleur. Une telle installation selon l'invention permet d'obtenir une quantité de chaleur à une température plus élevée que la température de la source de chaleur disponible sans consommer de travail fourni par l'environnement. Cette application est particulièrement intéressante lorsque l'on dispose de rejet de chaleur inutilisée et que l'on en a besoin à plus haute température. Une installation selon la présente invention peut être utilisée pour produire, à partir d'une source de chaleur, de l'électricité, de la chaleur ou du froid. Selon l'application considérée, l'installation comprend une machine de Carnot modifiée motrice ou une machine de Carnot modifiée réceptrice, associée à un environnement approprié. Le fluide de travail et le liquide hydraulique de transfert sont choisis en fonction du but recherché, de la température de la source de chaleur disponible et de la température du puits de chaleur disponible.

Une machine de Carnot modifiée réceptrice peut être utilisée dans tout le domaine des machines frigorifiques et des pompes à chaleur : congélation, réfrigé- ration, climatisation dit "réversible" c'est-à-dire rafraîchissement l'été et chauffage l'hiver.

Les machines frigorifiques classiques à compression mécanique de vapeur (CMV) sont réputées avoir de bons coefficients de performance COP (= Q _t /W) ou d'amplification COA (= Q _m /W). En réalité ces coefficients sont bien inférieurs (- 50% environ) à ceux de la machine de Carnot et donc de la machine de Carnot modifiée réceptrice de la présente invention en particulier du 2 ^eme type et dans une moindre mesure du 1 ^er type. Le remplacement des machines CMV actuelles par des machine de Carnot modifiées réceptrices permettrait une réduction de l'énergie électrique requise pour satisfaire les mêmes besoins. Comme pour les pompes à chaleur classiques à compression mécanique de vapeur, le domaine de pression raisonnable pour le fluide de travail Gj d'une machine de Carnot modifiée réceptrice se situe entre 0,7 bar et 10 bars environ. Aux pressions inférieures à 0,7 bar, la taille des canalisations entre le cylindre de transfert et l'évaporateur et surtout le volume du cylindre de transfert lui-même de- viendraient trop importants. À l'inverse, aux pressions supérieures à 10 bars se posent des problèmes de sécurité et de résistance des matériaux. L'utilisation des alca- nes ou des HFC est bien adaptée pour ces applications. Par exemple l'isobutane est déjà utilisé dans les réfrigérateurs ou congélateurs actuels (car sans effet sur la couche d'ozone). Le liquide de transfert qui peut être associé à ces alcanes dans une machine de Carnot modifiée réceptrice pour les applications frigorifiques est l'eau. Pour le froid négatif, il sera néanmoins nécessaire dans ce cas d'intercaler une membrane entre G _τ et L _τ pour éviter que du givre ne vienne obstruer l'intérieur de l'évaporateur ou d'envisager des dégivrages réguliers et des dispositifs de retour du L _τ vers les enceintes de transfert. À la place de l'eau comme liquide de transfert, on peut également envisager une huile dans laquelle le fluide de travail Gx choisi serait faiblement miscible.

Les machines de Carnot modifiée motrices peuvent être utilisées pour la production électrique centralisée ou dispersée, la production de travail pour le pompage d'eau, le dessalement d'eau de mer, etc ., la production de travail pour une machine réceptrice ditherme c'est-à-dire à finalité de chauffage ou de production frigorifique et en particulier une machine de Carnot modifiée réceptrice. Les avantages d'une machine de Camot modifiée motrice et ceux d'une machine de Carnot modifiée réceptrice peuvent être cumulés en associant les deux machines. En effet, la conversion mécanique - électrique n'est alors plus nécessaire, ce qui supprime la légère perte de rendement qu'une telle conversion implique. Une installation selon l'invention peut être utilisée pour la production centralisée d'électricité à partir d'une source de chaleur centralisée à haute température, produite par exemple par une réaction nucléaire. Une réaction nucléaire produit de la chaleur à 500 ⁰ C. L'utilisation de cette chaleur implique soit l'utilisation d'un fluide moteur compatible avec cette température élevée, soit la mise en œuvre d'une étape intermédiaire utilisant une turbine à vapeur surchauffée entre 500 et 300 ⁰ C, la chaleur à 300 ⁰ C étant ensuite fournie à une machine de Carnot modifiée motrice qui fonctionnerait entre cette source chaude à 300 ⁰ C et le puits froid de l'ambiance extérieure. Avec un tel écart de température il est nécessaire d'associer en cascade thermique au moins deux machines de Carnot modifiées motrices impliquant différents fluides de travail. Pour la machine à plus haute température, l'eau est bien adaptée comme fluide de travail. Dans cette configuration l'avantage conféré par l'invention est que le rendement global de production électrique est meilleur que celui des centrales nucléaires actuelles.

Une installation selon l'invention peut être utilisée pour la production décentralisée d'électricité, en utilisant comme source de chaleur l'énergie solaire qui est renouvelable, disponible partout mais intermittente et assez diluée (1 kW/m ² maximum environ par beau temps). Les capteurs solaires cylindro paraboliques actuels peuvent amener le fluide moteur à 300 ⁰ C environ. Par rapport à la production centralisée on perd le travail délivré par la turbine entre 500 et 300 ⁰ C, mais on utilise uniquement une source d'énergie renouvelable.

On peut aussi utiliser l'énergie solaire thermique délivrée à des températures inférieures, telles que 130 ⁰ C environ avec des capteurs à tubes sous vide ou 80 ⁰ C environ avec des capteurs plans. Évidemment plus la température de la source chaude diminue, plus faible est le rendement de la machine de Carnot modifiée mo- trice. Toutefois pour la plus faible température Tj ₁ , celle délivrée par les capteurs solaires plans, une association en cascade thermique n'est plus nécessaire, la machine de Carnot modifiée motrice est alors plus simple et donc moins coûteuse. En cas d'absence de soleil, une chaudière auxiliaire peut apporter la chaleur nécessaire.

Une installation selon l'invention peut être utilisée pour transformer de la chaleur en travail, sans nécessairement transformer celui-ci en électricité. Le travail mécanique peut être utilisé directement, par exemple pour une pompe hydraulique ou pour une pompe à chaleur dont le compresseur n'est pas entraîné par un moteur électrique. Dans ce dernier cas les finalités sont: la production de chaleur à un niveau de température T _m inférieur à celui de la source chaude à Tj, mais avec un coefficient d'amplification supérieur à 1 ou à un niveau de température Tj ₁ supérieur à celui de la source chaude à T _m mais avec un coefficient d'amplification inférieur à 1, lesdits coefficients d'amplification étant supérieurs à ceux de l'art antérieur par les systèmes à ad- ou absorption. la production de froid à un niveau de température T _b (inférieur à l'ambiance) et avec un coefficient de performance supérieur à celui de l'art antérieur par les systèmes à ad- ou absorption.

La présente invention est illustrée par les huit exemples suivants, auxquels elle n'est cependant pas limitée. Les figures 15a à 15h récapitulent schématique- ment, pour chacun des exemples, les échanges de chaleur et de travail entre la ma- chine (ou les associations de machines) de Carnot modifiée(s) et l'environnement, ainsi que les températures des sources et puits de chaleur. Exemple 1 (Fig. 15a): trois machines de Carnot modifiées motrices de 2 ^eme type en cascade thermique; Exemple 2 (Fig. 15b): deux machines de Carnot modifiées motrices de 1 ^er type en cascade thermique;

Exemples 3 et 4 (Fig. 15c et 15d): machines de Carnot modifiées réceptrices de

2 ^ème ou l er type;

Exemple 5 (Fig. 15e): deux machines de Carnot modifiées réceptrices de

1 ^er type en cascade thermique; Exemples 6 et 7 (Fig. 15f et 15g): couplage mécanique d'une machine de Carnot modifiée motrice haute température de 1 ^er type et d'une machine de Carnot modifiée réceptrice de 1 ^er type basse température;

Exemple 8 (Fig. 15h): couplage mécanique d'une machine de Carnot mo- difîée motrice basse température de 1 ^er type et d'une machine de Carnot modifiée réceptrice de 1 ^er type haute température.

Dans ces exemples, trois fluides de travail G _τ sont utilisés : l'eau (notée

R718), le n-butane (noté R600) et le 1,1,1,2-tétrafluoroéthane (noté Rl 34a). Les diagrammes de Mollier pour ces trois fluides sont représentés respectivement par les figures 16, 17 et 18. Dans ces diagrammes sont tracés les différents cycles de

Carnot modifiés qui sont impliqués dans les exemples 1 à 8 susmentionnés. Exemple 1

Association en cascade thermique de trois machines de Camot modifiées motrices du 2 ^ème tvpe

L'objectif est de produire du travail (convertible en électricité) avec le meilleur rendement possible. Pour une température de puits froid donnée (T _b =

40°C), le rendement sera d'autant plus élevé que la température Tj ₁ de la source chaude est élevée et que le cycle de la machine se rapproche du cycle idéal de

Carnot. Le cycle de Carnot modifié moteur de 2 ^eme type est donc retenu dans sa configuration préférée, c'est à dire en respectant la contrainte de l'égalité des volumes massiques du fluide de travail en sortie du condenseur et de l'évaporateur

(tel que décrit dans la figure 4).

Avec une source de chaleur à T _h3 égale à 85°C, le fluide de travail utilisé est le R600 et il décrit le cycle abcda dans la figure 17. On note qu'avec ce fluide la détente adiabatique c— >d aboutit dans le domaine de la vapeur surchauffée mais néanmoins très près de la courbe de saturation. L'irréversibilité est très faible. Le rendement η ₃ de ce cycle est de 12,49%, à comparer au 12,56% d'un cycle de Carnot parfait entre les mêmes températures.

Avec une source de chaleur à T) ₁₂ égale à 175°C et en association en cascade thermique avec le cycle précédent, le fluide de travail utilisé est le R718 et il décrit le cycle efghe dans la figure 16. On note qu'avec ce fluide la détente adiabatique g→h aboutit dans le domaine biphasique et n'induit donc aucune irréversibilité. Le rendement η ₂ de ce cycle se confond avec celui de Carnot et est donc de 16,7%.

Enfin avec une source de chaleur à T _hl égale à 275°C et en association en cascade thermique avec le cycle précédent, le fluide de travail utilisé est toujours le R718 et il décrit le cycle abcda dans la figure 16. La détente adiabatique c-»d aboutit encore dans le domaine biphasique. Le rendement ηi de ce cycle est de

16,4%.

L'association en cascade thermique de ces trois machines de Carnot modifiées motrices de 2 ^ème type (figure 15a), avec des écarts de température réalistes au niveau des transfert de chaleur entre les différentes machines, conduit au rendement global : η = (Wf ^f Wa+WayQh = ηi + η ₂ .(l-η0 + ηs-O-ηOO-ηi) η = 39,10% soit 91% du rendement de la machine de Carnot fonctionnant entre les mêmes températures extrêmes. Ce rendement est meilleur que celui des centrales électriques nucléaires actuelles (≈ 34%) qui travaillent pourtant avec des vapeurs surchauffées à des températures bien supérieures (≈ 500 ⁰ C). En outre la source de chaleur à T _h i (=275°C) pourrait être apportée par des capteurs solaires cylindro-paraboliques. Exemple 2

Association en cascade thermique de deux machines de Carnot modifiées motrices du 1 ^er type

Comme pour l'exemple précédent, l'objectif est de produire du travail (convertible en électricité) mais avec une machine plus simple en utilisant des associa- tions de machine de Carnot modifiées motrices de 1 ^er type. Les écarts en température de la source et du puits de chaleur ne sont plus limitées par la contrainte de l'égalité des volumes massiques du fluide de travail en sortie du condenseur et de l'éva- porateur. Toutefois les écarts en pression trop importants génèrent d'autres problèmes technologiques; ainsi en reprenant les mêmes source et puits de chaleur extrêmes (275°C et 40 ⁰ C), il est préférable d'associer deux machines en cascade thermique plutôt que de réaliser une seule machine fonctionnant sur un écart aussi important.

L'association en cascade thermique (figure 15b) consiste à coupler deux machines de Carnot modifiées motrice de 1 ^er type, la première utilise l'eau (R718) comme fluide travail et décrit le cycle ijbcki de la figure 16, la seconde utilise le n-butane (R600) comme fluide travail et décrit le cycle efbcde de la figure 17.

Les étapes j— »b et f-»b de ces deux cycles induisent des irréversibilités supplémentaires, mais les rendements des deux cycles restent néanmoins très satisfaisants (en comparaison des rendements de Carnot): T] ₁ = 27,47% pour le cycle avec le R718 et η ₂ = 10,82% pour le cycle avec le R600.

Le rendement global de l'association en cascade thermique (figure 15b) de ces deux machines de Carnot modifiées motrices de 1 ^er type est: η = (W ₁ +W ₂ )/Q _h = η ₁ + η ₂ .(l-ηi) soit η = 35,32% (82% du rendement de la machine de Carnot fonctionnant entre les mêmes températures extrêmes).

Par rapport à l'exemple précédent, pour une dégradation assez faible du rendement (-3,78%) la simplification de la machine est relativement importante : deux machines en association au lieu de trois et surtout 1 ^er type plus simple que le 2 ^ème . Exemple 3

Machines de Carnot modifiées réceptrices du 2 ^ème ou 1 ^er type

L'objectif visé dans l'exemple 3 est le chauffage de l'habitat par des émetteurs (radiateurs ou plancher chauffant) à basse température. Une machine de Carnot modifiée réceptrice fonctionnant entre 5 et 50 ⁰ C est bien adaptée à cette application (Figure 15c).

On compare les deux options possibles que constituent les machines du 2 ^eme ou du 1 ^er type en utilisant comme fluide de travail le R600.

Avec une machine de Carnot modifiée réceptrice de 2 ^ème type le cycle décrit est le cycle l-2-3-4'-9-l de la figure 17. Avec ce fluide si l'étape de compression adiabatique avait été réalisée à partir de la vapeur saturée, c'est-à-dire le point "9" de ce cycle, ledit fluide à la fin de cette étape aurait été dans le domaine biphasique, ce qui n'est pas un inconvénient. À titre d'illustration sur cet exemple on choisit de réaliser une légère surchauffe (c'est-à-dire l'étape 9— >1) telle qu'il n'y ait que de la vapeur saturée en fin de compression (point "2" du cycle). Cela implique pendant cette étape un apport de chaleur, par exemple au niveau des cylindres de transfert tel que cela est illustré à la figure 2 pour une machine de Carnot modifiée motrice.

Le coefficient d'amplification de cette machine de Carnot modifiée réceptrice décrivant ce cycle est : COA = Q _h /W = 7,18

Cc COA est quasiment égal à celui de la machine de Carnot fonctionnant entre les mêmes températures extrêmes car l'irréversibilité engendrée par la surchauffe 9— »1 est très faible.

Toutefois la machine de 2 ^eme type nécessite l'enceinte ABCD et les conne- xions associées, ce qui a un coût et implique une gestion plus complexe du cycle.

Avec une machine de Carnot modifiée réceptrice de 1 ^er type le cycle décrit est le cycle 1-2-3-4-9-1 de la figure 17. Le COA de cette machine de 1 ^er type est plus faible : COA = Q _h /W = 6,06, soit 84% du COA de la machine de Carnot mais reste tout de même bien meilleur que les COA des machines actuelles à compression mécanique de vapeur fonctionnant entre les mêmes températures extrêmes.

Exemple 4

Machine de Carnot modifiée réceptrice du 1 ^er type

L'objectif visé dans l'exemple 4 est le rafraîchissement de l'habitat en été. Une machine de Carnot modifiée réceptrice du 1 ^er type fonctionnant entre 15 et 40 ⁰ C est bien adaptée à cette application (Figure 15d). Le fluide de travail utilisé (R600) décrit le cycle 5-6-7-8-5 de la figure 17. Par rapport à l'exemple précédent, on choisit de ne pas réaliser de surchauffe avant l'étape de compression isentropique. Le coefficient de performance de cette machine de Carnot modifiée réceptrice décrivant ce cycle est :

COP = Q _t /W = 10,33 soit 90% du COP de la machine de Carnot et surtout bien meilleur que les COP des machines actuelles à compression mécanique de vapeur fonctionnant entre les mêmes températures extrêmes. Exemple 5

Association en cascade thermique de deux machines de Carnot modifiées réceptrices du 1 ^er type

L'objectif visé dans l'exemple 5 est la production frigorifique à basse température (pour la congélation). Même si l'écart en température entre la source et le puits de chaleur n'est pas limité par une quelconque contrainte d'égalité des volumes massiques du fluide de travail, il est préférable qu'il n'y ait pas d'écart en pression trop important dans la machine car cela génère d'autres problèmes technologiques. Ainsi avec la source froide à -30 ⁰ C et le puits chaud à 40 ⁰ C, il est préférable d'associer deux machines en cascade thermique plutôt que de réaliser une seule machine fonctionnant sur un écart aussi important. L'association en cascade thermique (voir figure 15e) consiste à coupler deux machines de Carnot modifiées réceptrices de 1 ^er type, la première utilise le R600 comme fluide travail et décrit le cycle 9-6-7-10-9 de la figure 17, la seconde utilise le Rl 34a comme fluide travail et décrit le cycle 1-2-3-4-1 de la figure 18. Le coefficient de performance global de l'association en cascade thermique de ces deux machines de Carnot modifiées réceptrices de 1 ^er type est:

COP = Q _b /(W _! +W ₂ ) = 1/[1/COP ₂ +(1+1/COP ₂ )/COA ₁ ]

COP = 2,85 soit 82% du COP de la machine de Carnot et surtout bien meilleur que les COP des machines actuelles à deux étages de compression mécanique de vapeur fonctionnant entre les mêmes températures extrêmes. Exemple 6

Couplage mécanique d'une machine de Carnot modifiée motrice haute température de 1 ^er type et d'une machine de Carnot modifiée réceptrice basse température de 1 ^er type L'objectif visé dans l'exemple 6 (figure 15f) est le rafraîchissement de l'habitat en été en n'utilisant comme source d'énergie que de la chaleur, par exemple issue de capteurs solaires. Pour cela on couple une première machine, la machine de Carnot modifiée motrice du 1 ^er type utilisant le fluide de travail R600 et décrite à l'exemple 2, et une deuxième machine, la machine de Carnot modifiée réceptrice du 1 ^er type décrite à l'exemple 4.

Le coefficient de performance de cette association (figure 15f) est: COP = Q _b /Q _h = TIi-COP ₂ = 1,29 soit 89% du COP de la machine de Carnot tritherme et surtout bien meilleur que les COP des systèmes trithermes à ad- ou absorption de l'art antérieur actuel fonctionnant entre les mêmes sources et puits de chaleur. Exemple 7

Couplage mécanique d'une machine de Carnot modifiée motrice haute température de 1 ^er type et d'une machine de Carnot modifiée réceptrice basse température de 1 ^er type

Les objectifs visés dans l'exemple 7 (figure 15g) sont multiples: - cogénération de travail convertible en électricité et de chaleur utile pour le chauffage (basse température) de l'habitat en hiver; climatisation à "basse température" c'est-à-dire compatible avec les ventilo- convecteurs classiques pour les immeubles (bureau ou habitat collectif notamment). dans tous les cas en n'utilisant comme source d'énergie que de la chaleur à température accessible par une chaudière ou par des capteurs solaires de type cylindo-parabolique.

Pour ces objectifs pratiques, on couple une première machine, la machine de Carnot modifiée motrice du 1 ^er type utilisant le fluide de travail le R718 qui décrit le cycle 1-mgnl de la figure 16, et une deuxième machine, la machine de Carnot modifiée réceptrice du 1 ^er type décrite à l'exemple 3. Le rendement Ti ₁ de la première machine est de 25,34% (soit 91% du rendement de Carnot) ce qui est bien supérieur au rendement actuel des capteurs solaires photo voltaïques.

Si l'électricité n'est pas récupérée pour la machine réceptrice (figure 15g), la production de chaleur Q _m i complète la production électrique, soit 24,66% de l'énergie incidente Qj ₁ alors que les cellules photovoltaïques, elles, ne délivrent pas de chaleur. Dans le cas contraire, c'est-à-dire pour les applications de chauffage seul et/ou de climatisation , les coefficients d'amplification et de performance de cette association sont reliés aux COP et rendement des 2 machines selon: COA = COP+ 1 = COP ₂ .η _! +l

Soit respectivement COA = 2,28 (84% du COA de Carnot) et COP = 1,28 (74% du COA de Carnot).

Exemple 8

Couplage mécanique d'une machine de Carnot modifiée motrice basse température de 1 ^er type et d'une machine de Carnot modifiée réceptrice haute température de 1 ^er type

L'objectif visé dans l'exemple 8 (figure 15h) est la production de vapeur à moyenne pression (2 bars) en ayant comme seule source d'énergie de la chaleur à "basse température" (85°C) incompatible avec la production directe de ladite vapeur. C'est un exemple parmi d'autres rencontrés classiquement sur des sites industriels où il existe des rejets de chaleur inutilisés et des besoins à des températures supérieures.

Cet objectif de thermotransformation entre 85 et 120 ⁰ C (susceptible de générer de la vapeur à 2 bars) peut être réalisé en couplant mécaniquement une première machine, la machine de Carnot modifiée réceptrice du 1 ^er type, utilisant le R718, fonctionnant entre 85 et 120 ⁰ C et décrivant le cycle 1-2-3-4-1 de la figure 16, et une deuxième machine, la machine de Carnot modifiée motrice du 1 ^er type, fonctionnant entre 85°C et 40 ⁰ C (température supérieure à l'ambiance), utilisant le fluide de travail R600 et décrite à l'exemple 2. Le coefficient de performance COP ₁ de la première machine (réceptrice) est de 9,14 (89% du COP de la machine ditherme de Carnot). On note qu'avec l'eau comme fluide de travail la vapeur en fin d'étape de compression isentropique est très surchauffée (T ₂ = 208 ⁰ C » 120 ⁰ C). Le coefficient de performance global de l'association (figure 15h) des deux machines vérifie :

COP = Q _h /CQ _m i+Q _πtf MCOP, +l)/(COP,+l/η ₂ )

Soit avec ces températures de la source et des puits: COP = 55,2% (89% du COP de la machine tritherme de Carnot).

Les différents exemples décrits ci-dessus confirment qu'un même fluide de travail peut être utilisé en tant que fluide moteur, ou en tant que fluide récepteur, suivant l'installation et le but recherché.

Le n-butane (R600) décrit un cycle moteur de 1 ^er type dans l'exemple 2 (figure 15b) et un cycle récepteur de 1 ^er type dans l'exemple 7 (figure 15g) et la machine de Carnot modifiée respectivement motrice ou réceptrice qui utilise ce fluide R600 est associée dans ces deux exemples à une autre machine de Carnot, motrice en l'occurrence, qui utilise l'eau (R718) comme fluide de travail. On en déduit par conséquent qu'une installation selon la présente invention peut comprendre une machine de Carnot motrice de 1 ^er type (avec le R718 comme fluide de travail) couplée à une machine de Carnot modifiée polyvalente_(telle que celle décrite à la figure 11 et avec le R600 comme fluide de travail) et qu'une telle installation peut être mise en œuvre pour des applications aussi différentes que celle qui est visée à l'exemple 2, et celle qui est visée à l'exemple 7.