Demie pompe à chaleur à moteur thermique.

Lorsque l’on découvre le fonctionnement d’une chaudière pulsatoire à gaz naturel, qui utilise une succession d’explosions, plus de 100 fois par secondes, et que l’on comprend l’intérêt du régime turbulent des gaz dans l’échangeur, on peut se demander comment, en recontextualisation, réaliser facilement un tel dispositif. Les chaudières pulsatoires entrent dans la catégorie des chaudières à condensation et la température des gaz de sortie ne dépasse généralement pas les 30°C.

La première idée qui vient à l’esprit, est le système le plus répandu dans notre vie quotidienne qui fonctionne grâce à des successions « d’explosions ». Ce n’est autre que le moteur à explosion. Un moteur à explosion à gaz, à vide, sans charge mécanique ressemble donc conceptuellement à une chaudière pulsatoire mais sans les optimisations vibratoires. Si l’on décidait de placer un échangeur thermique sur le pot d’échappement et sur la culasse d’un moteur à gaz, on récupèrerait facilement toute la chaleur.

Il est donc théoriquement possible de recontextualiser une culasse d’un ancien moteur à essence automobile, par exemple, sous forme de chaudière, moyennant l’ajout d’un carburateur à gaz. Notez que l’on peut tout à fait alimenter un tel moteur par un gazogène, pour ceux qui souhaitent utiliser l’énergie du bois à la place du G.P.L. ou du gaz naturel. De la même manière cela fonctionnerait aussi avec un moteur Diesel ! Le coût réduit d’un ancien moteur automobile récupéré autorise de se poser la question d’en récupérer plusieurs. Dans ce cas il est possible de faire encore mieux qu’une pseudo chaudière pulsatoire, nous pouvons fabriquer une chaudière pulsatoire hybride qui entraine une « demie pompe à chaleur ». L’ensemble sera alors un subtile mélange entre une chaudière pulsatoire et une pompe à chaleur. Le tout sans utiliser de gaz frigorifique spécifique, mais simplement de l’air via l’utilisation d’un tube de Ranque-Hilsch. Ses performances en pompe à chaleur restent limitées mais la simplicité et la longévité du dispositif nous permet, en recontextualisation, de récupérer un peu plus que l’énergie initiale consommée sous forme de gaz.

Si nous parlons dans ce cas de « demie pompe à chaleur », c’est parce que l’on utilise un ancien moteur automobile en tant que compresseur, sans en modifier les arbres à cames. Cela implique qu’il va se comporter un peu comme lorsque vous faites du frein moteur en voiture. Il va transformer, durant la phase de compression, l’énergie mécanique en énergie thermique, sans chasser de volume à l’extérieur du moteur. Cela ne se produit, dans le cycle à 4 temps, qu’au moment de l’échappement. Nous nous servirons, dans le cas de la demie pompe à chaleur, de la phase d’échappement pour comprimer l’air. Dans l’idéal il faut utiliser un moteur à fort taux de compression pour minimiser l’influence des volumes morts, c’est notamment le cas des moteurs Diesel.

Schéma

Nomenclature explicative

  • 1. Carburateur à gaz : il remplace le carburateur à essence d’origine du moteur.
    • 1.1 Arrivée de GPL (butane ou propane) ou de gaz de ville (méthane).
    • 1.2 Arrivée d’air.
  • 2. Moteur à gaz : constitué d’un moteur à essence automobile à carburateur.
    • 2.1 Admission.
    • 2.2 Échappement.
    • 2.3 Retour du circuit de refroidissement.
    • 2.4 Départ circuit de refroidissement.
  • 3. Demi-compresseur : ainsi nommé en raison des spécificités expliquées ci-dessus, il est constitué d’un ancien moteur automobile Diesel. Il comprime l’air dont la chaleur est récupérée dans l’échangeur 12 et qui alimente le tube de Ranque-Hilsch 5.
    • 3.1 Admission.
    • 3.2 Refoulement (échappement d’origine).
    • 3.3 Départ circuit de refroidissement.
    • 3.4 Retour du circuit de refroidissement.
  • 4. Clapets anti retour : au nombre de un par cylindre, ils servent à empêcher la contre pression de 10 bars d’ouvrir les soupapes d’échappement. Ces dernières sont usuellement ramenées par des ressorts à l’exception des moteurs desmodromiques.
  • 5. Tube de Ranque-Hilsch : c’est le système qui permet de pomper la chaleur via une alimentation en air comprimé.
    • 5.1 Alimentation du tube de Ranque-Hilsch
    • 5.2 Sortie chaude du tube de Ranque-Hilsch
    • 5.3 Sortie froide du tube de Ranque-Hilsch
  • 6. Échangeur coaxial gaz d’échappement/air froid.
  • 7. Échangeur coaxial air froid/liquide de refroidissement.
  • 8. Vanne trois voies : elle permet, selon une comparaison automatique de la température extérieure avec les gaz d’échappement, d’utiliser ou non l’échangeur 9.
  • 9. Échangeur coaxial gaz d’échappement/air ambiant.
  • 10. Clapet anti retour : du type hydraulique à ressort, il permet la remise en air de la demie pompe à chaleur. En effet, lors de l’arrêt de l’installation, les pressions s’équilibrent entre la partie basse pression et la partie haute pression. La pression moyenne étant supérieure à la pression atmosphérique, l’air fuit via la culasse du demi-compresseur (segments, queues de soupapes, etc.) Lors de la remise en marche du système, tant que la partie basse pression ne sera pas légèrement supérieure à la pression atmosphérique, le clapet autorisera l’entrée de l’air manquant. Il est recommandé de l’installer au plus proche de la sortie de l’échangeur 6. Ce clapet permet aussi de compenser les faibles fuites en fonctionnement continu.
  • 11. Filtre à air : filtre à air du circuit d’air.
  • 12. Limiteur de pression : c’est une soupape de sécurité qui limite la pression dans la partie haute pression aux alentours de 10 bars.
  • 13. Échappement définitif : situé à l’extérieure du bâtiment, il évacue les gaz brûlés. Il est possible, du fait du caractère stationnaire de l’installation, d’utiliser un pot d’échappement très silencieux car l’encombrement importe peu.
  • 14. Filtre à air : filtre à air du moteur à gaz.
  • 15. Vase d’expansion : vase d’expansion du circuit de refroidissement de la culasse du demi-compresseur.
  • 16. Vase d’expansion : vase d’expansion du circuit de refroidissement de la culasse du moteur à gaz.
  • 17. Échangeur : il transfère la chaleur de la culasse du moteur à gaz dans le circuit de chauffage.
  • 18. Échangeur : il transfère la chaleur de l’échappement du moteur à gaz dans le circuit de chauffage.
  • 19. Échangeur : il transfère la chaleur de l’air comprimé par le demi compresseur dans le circuit de chauffage.
  • 20. Échangeur : il transfère la chaleur pompée par le tube de Ranque-Hilsch dans le circuit de chauffage.
  • 21.Transmission mécanique : à ne pas oublier, la transmission du mouvement mécanique entre le moteur à gaz et le demi compresseur. Elle peut être réalisée avec des courroies. Il est possible de conserver les boites de vitesses des moteurs d’origine afin d’ajuster le rapport de transmission. Cela peut permettre, avec de multiples carburateurs, de créer plusieurs puissances que l’on peut choisir selon la saison. Dans ce cas il faudra utiliser plusieurs tubes de Ranque-Hilsch en parallèle et/ou accepter de fonctionner à des pressions différentes selon la puissance, ce qui réduit l’efficacité du tube.