Applications traditionnelles des pompes à chaleur mais dont l’intérêt serait accru par un COP élevé.

-         Chauffage et climatisation des logements collectifs et individuels, des hôpitaux, hôtels, écoles, salles de spectacle et bureaux.

-         Chauffe-eaux, chauffage des piscines, de vendanges, de serres, du sol pour la culture de champignons, de l’eau pour la pisciculture.

-         Réfrigérateurs (schéma ci-dessous).

-         Machines frigorifiques pour la conserverie et les industries agroalimentaires, pour la climatisation des hangars portuaires.

 

Systèmes recyclant la chaleur (sans apport extérieur de chaleur à la source froide)

-         Séchage de peaux, salaisons, bois, papier, céréales (maïs, orge).

-         Evaporation pour la concentration de solutions aqueuses dans l’industrie agroalimentaire, la papeterie et l’industrie chimique.

-         Dessalage d’eau de mer.

 

Sous réserve que le procédé soit capable de fournir une source chaude jusqu’à 120°

On peut noter un marché potentiel dans :

-         Le raffinage de pétrole

-         La fabrication du papier

-         L’industrie agroalimentaire

-         La distillerie des alcools

 

Autres applications liées à la compacité, la simplicité et l’absence de bruit

-         Petits réfrigérateurs portatifs

-         Containers climatisés

-         Radiateur climatiseur pour logement individuel (schéma ci-dessous)

 

Exemple d’un échangeur thermique air-air à ailettes, pour chauffage et climatisation et d’un réfrigérateur.

 

1)Centrale de conversion de la chaleur ambiante en travail (convertisseur thermoélectrique à source thermique unique)

 

 

Le principe consiste à associer une pompe à chaleur à un moteur thermique dans le but de lui faire produire plus de travail que la pompe n’en consomme. La chaleur ambiante puisée dans l’environnement (nappe phréatique, rivière, fleuve, lac, mer, atmosphère…) fournit l’énergie nécessaire à la production du travail utile. Le moteur thermodynamique fonctionne en écoulant de la chaleur de la source chaude vers la source froide (tuyauterie chaude et tuyauterie froide) , tout en convertissant une partie de cette chaleur en travail, alors que la pompe à chaleur « remonte » la chaleur de la source froide à la source chaude.

 

Un tel système ne peut fonctionner qu’avec une pompe à chaleur dont le COP est supérieur au COP de Carnot. En effet, tant que les pompes à chaleur étaient limitées par le COP de Carnot, le couplage d’une telle pompe avec un moteur thermodynamique ne pouvait au mieux qu’aboutir à la neutralisation réciproque de leurs effets, la totalité du travail fourni par le moteur étant consommée par la pompe (voir schéma ci-dessous à gauche).

Par contre, on obtiendrait bien l’effet recherché si le COP de la pompe devenait supérieur au COP de Carnot. Dans le cas où il n’y a plus du tout de travail à fournir à la pompe, tout le travail produit par le moteur peut-être libéré. Ce travail résulterait de la conversion de la chaleur ambiante puisée dans l’environnement (schéma ci-dessous à droite).

 

 

Cycle thermodynamique (les températures sont choisies arbitrairement)

 

(1) Soit une calorie prélevée à la source chaude par l’évaporateur du moteur.

(2) Le moteur convertit une partie de cette calorie en travail (0,16 calorie maximum).

(3) Le reste (0,84 calorie minimum) est déversé par le condenseur à la source froide.

(4) Pour maintenir la température de la source froide, la pompe à chaleur doit remonter cette quantité de chaleur à la source chaude. Si le travail à fournir à la pompe est nul, cette quantité de chaleur est transférée à la source chaude, sans plus.

(5) Au bout du compte, la source chaude est refroidie de 0,16 calorie, c’est à dire la quantité de chaleur convertie en travail. On peut la réchauffer en prélevant de la chaleur dans l’environnement, au moyen d’une pompe à chaleur auxiliaire puisque l’environnement est généralement plus froid que la source chaude dans le cas décrit.

 

 

Principe de fonctionnement (la centrale étant démarrée) ( voir schéma 44)

 

(1) Le fluide de travail, généralement de l’ammoniaque, arrive dans l’évaporateur où il prélève de la chaleur à la source chaude. Le fluide chaud (en rouge) subit donc un refroidissement de quelques degrés (les plaques chaudes de la pompe à chaleur pourraient jouer directement le rôle d’évaporateur. De même, les plaques froides pourraient jouer le rôle de condenseur).

 

(2) La vapeur d’ammoniac arrive dans la turbine où elle se détend en produisant un travail, dont la valeur dépend de l’écart de température entre la source chaude et la source froide.

 

(3) La vapeur pénètre dans le condenseur où elle cède de la chaleur à la source froide. Le fluide froid (en bleu) subit donc un réchauffement. L’ammoniaque devenue liquide est pompée et remise sous pression, puis reprend un nouveau cycle.

 

(4) Pour maintenir la température de la source froide, la pompe à chaleur doit « remonter » la chaleur écoulée par le moteur. Grâce à son COP élevé, elle peut le faire en n’utilisant qu’une petite partie du travail fourni par le moteur, au moyen d’un générateur raccordé au moteur. Mais, on pourrait aussi la faire fonctionner par le réseau électrique si le travail produit par la centrale n’est pas converti en électricité.

 

(5) Le rôle de la pompe auxiliaire est de prélever de la chaleur dans l’environnement pour l’introduire à la source chaude. C’est l’énergie qui sera convertie en travail. Mais, on pourrait aussi réchauffer directement la source froide au moyen d’un simple échangeur thermique (configuration schéma 45).

 

 

Puissance disponible

 

Chaque calorie prélevée dans l’environnement est intégralement convertie en travail. S’il s’agit d’un cours d’eau, chaque gramme d’eau débité et refroidi d’1°C fournirait 4,18 Joules (4,18 MW / m³/s). Une centrale qui refroidirait l’eau débitée du Rhin d’1°C donnerait 9196 MW en moyenne (débit moyen : 2200 m³/s). Le Rhône 7106 MW, la Loire 3300 MW , la Seine 1567 MW, la Garonne 836 MW.

 

 

 

 

2)Centrale de production d’électricité et d’eau douce avec de l’eau de mer

 

 

Le principe est le même que dans la configuration précédente, excepté que le fluide de travail utilisé dans le moteur thermodynamique est cette fois ci de l’eau de mer, avec production d ‘eau douce au condenseur. Cette possibilité a déjà été appliquée en Energie Thermique des Mers (Procédé Georges Claude), mais il fallait alors disposer d’une source chaude et d’une source froide, cette dernière étant réalisée par le réservoir d’eau froide et profonde des mers tropicales (environ 5°C  - Lire à ce propos l’ouvrage illustré de Philippe Marchand : L’énergie Thermique des Mers, éditions IFREMER), tandis que la source chaude est constituée par l’eau de surface (20 à 25°C). Dans le cas présent, seule l’eau de surface suffit, et toutes les mers peuvent convenir.

 

Fonctionnement :

 

(1) Une partie de l’eau destinée à réchauffer la source froide est déviée par une pompe vers l’évaporateur, où elle est réchauffée à la température de la source chaude.

 

(2) Sous l’effet de la chaleur et de la dépression (l’évaporateur et le condenseur sont à 10 m au dessus du niveau de la mer) l’eau s’évapore. Pour éviter la formation de sel dans l’évaporateur, on introduit une quantité d’eau plus grande que celle à évaporer, de manière à pouvoir évacuer le sel avec le supplément d’eau.

 

 

(3) La vapeur d’eau passe dans la turbine où elle se détend en produisant un travail. Puis elle pénètre dans le condenseur et se liquéfie en eau douce à la température de la source froide (entre 0 et 5°C – au dessous de cette température l’eau gèle).

 

(4) Comme dans la configuration où on ne produit que de l’électricité, le système doit s’alimenter en chaleur prélevée dans l’environnement pour produire du travail. Dans le cas présent, l’eau de mer n’étant que légèrement plus chaude que la source froide, on peut réchauffer directement la source froide au moyen d’un simple échangeur thermique, ce qui évite la pompe à chaleur auxiliaire.

 

 

3)      Générateur thermoélectrique

 

 

Le principe consiste à interposer un élément thermoélectrique entre la plaque chaude et la plaque froide de deux mille-feuilles voisins, l’élément thermoélectrique remplaçant la turbine et le générateur de la centrale thermodynamique. La disposition alternée de mille-feuilles et d’éléments thermoélectriques permet une circulation homogène et constante de la chaleur, comme indiqué sur les schémas ci-dessous. En effet, contrairement à la centrale thermodynamique où la chaleur de deux mille-feuilles juxtaposés devait converger vers la tuyauterie chaude, ici les mille-feuilles sont tous disposés dans le même sens pour faire circuler la chaleur dans le même sens. Les éléments thermoélectriques laissent la chaleur s’écouler de la partie chaude vers la partie froide en convertissant une petite partie en courant électrique, tandis que les mille-feuilles « remontent » cette chaleur de la partie froide vers la partie chaude. Ils recyclent donc la chaleur écoulée dans les éléments thermoélectriques pour la convertir intégralement en travail (électricité).

 

Fonctionnement

 

-         Mise en route : A l’aide d’une batterie, on met en marche les mille-feuilles. La plaque chaude de chaque mille-feuille se réchauffe, et la plaque froide se refroidit. Pendant ce temps, la chaleur commence à s’écouler dans les éléments thermoélectriques selon un courant de plus en plus intense, ce qui produit de l’électricité.

-         Les mille-feuilles recyclent la chaleur écoulée dans les éléments thermoélectriques, mais comme une partie est convertie en électricité, le système aurait tendance à se refroidir. D’où l’introduction de plaques métalliques soudées à l’échangeur thermique et coincées au milieu de chaque mille-feuille, dont le rôle est d’alimenter le système en chaleur ambiante prélevée par l’échangeur thermique.

Cette chaleur peut être apportée par un fluide (air, eau,…) ou bien un gaz en combustion, un rayonnement, la désintégration de radio-isotopes comme dans les convertisseurs thermoélectriques actuels, ou encore par simple conduction thermique avec un solide supportant l’appareil (ex : terre).

 

 

Applications :

 

Ce procédé convertit intégralement la chaleur en électricité, ce qui peut présenter un avantage considérable par rapport aux générateurs thermoélectriques actuels, qui eux n’en convertissent qu’une petite partie et dissipent une importante quantité de chaleur.

 

Applications :

 - générateur pour satellite, station isolée, balise, bouée, météorologie…

       - groupe électrogène , batterie pour moteur thermique, pile…