Brevet FR2052916A1 — publié le 19710416

La pressente invention a pour objet un procédé et une installation perfec tionnés pour la production d'énergie par détente dans une turbine. Cette invention s'applique tout particulièrement au cas où l'on dispose d'une source froide et d'une source chaude dont on veut assurer respectivement le re- chauffement et le refroidissement à l'aide d'un fluide auxiliaire circulant dans un circuit auxili?ire. On sait, lorsque ce fluide auxiliaire est vaporise par échange thermique avec la source chaude, qu'il est possible de récupérer de l'énergie par détente de ce fluide vaporise dans une turbine. En fait, il est quasiment impossible de disposer d'un fluide qui soit d'une part condensable, sous une pression acceptable (voisine de la pression atmosphérique par exemple), à la température de la source froide (généralement la température ambiante) et, d'autre part, qui présente un palier de vaporisation à la température élevée de la source chaude (en général comprise entre 300 et 600 C). Ainsi, en employant de l'eau comme fluide auxiliaire pour couvrir une zone de température comprise entre 300C et 3800C, on se heurte a de graves inconvénients liés à l'énorme volume spécifique de la vapeur d'eau en équilibre avec son condensat à la température de la source froide, et, la pression d'é- chappement de la turbine devant être très basse, (de l'ordre de 0,04 atm. par exemple), la présence de machine et de condenseur énormes est rendue néces- saire. Afin d'améliorer la production d'énergie, un certain taux de condensation de vapeur a été admis dans la turbine ; ce taux peut atteindre 15% environ. Des inconvénients persistent toutefois : d'une part, la présence d'eau dans la turbine entraîne une possibilité d'érosion qui limite les vitesses admissibles ; d'autre part, la faible tension de vapeur de l'eau d la température de condensation nécessite encore des sections de passages importantes dans le condenseur. On sait également qu'il est possible d'utiliser successivement deux ou plusieurs fluides auxiliaires circulant dans deux ou plusieurs circuits auxi- liaires. Dans le cas de deux circuits auxiliaires seulement, il est possible, dans un des circuits, d'utiliser de la vapeur d'eau travaillant entre 400 et 100 C par exemple, -en ce cas, la pression au condenseur serait de l'ordre de 1 atm.-, et, d'utiliser la source froide, à 100 C, de ce premier circuit auxiliaire en tant que source chaude d'un deuxième circuit auxiliaire dans lequel est utilisé du butane ou du fréon. Cette solution, toutefois, exigeant plusieurs circuits auxiliaires, a pour inconvénient de multiplier le nombre de machines nécessaires. La présente invention permet de pallier les inconvénients précités. Elle permet, en outre, une excellente utilisation des calories de la source chaude et des frigories de dF: a source froide meme dans l'hypothèse de forts gradients de température, ce qui offre l'avantage de réduire les débits en circulation tant du côté source chaude que du côté source froide. La présente invention a pour objet un procédé pour la production d'énergie par détente dans une turbine, s'appliquant notamment au cas où l'on dispose d'une source froide et d'une source chaude dont on veut assurer respectivement le réchauffement et le refroidissement à l'aide d'un fluide auxiliaire, ce procédé étant caractérisé en ce que l'énergie est obtenue par détente du fluide auxiliaire, à l'état gazeux et porté à pression élevée, circulant dans un circuit indépendant et formé d'un mélange de constituants, ne réagissant pas chimiquement entre eux, dont les points d'ébullition sont différents. Il est ainsi possible de déterminer @ volonté la composition du fluide auxiliaire et les pressions de travail, de façon à obtenir les conditions économiques optimales. En maintenant @ une valeur pas trop basse(1atm.abs.minimum) la pression en sortie de la turbine, les dimensions des dernières roues demeurent raisonnables ainsi que les vitesses périphériques. L'érosion est de ce fait réduite et le taux de condensation pourrait éventuellement dépasser la valeur de 155 généralement considérée comme un maximum dans les cas des turbines à vapeur. (On sait que les effets de l'éresion sont proportionnels à la puissance 4 à 5 de la vitesse périphérique et qu'ils sont particulièrement importants dans le cas de l'eau en raison de l'agressivité chimique de celle-ci). Suivant ur. rode de réalisation de l'invention, le fluide auxiliaire est formé d'un mélange d'hydrocarbures saturés, dont le nombre d'atomes de carbone est de préférence compris entre 3 et 10, ou éventuellement de fréons, ou encore d'eau et de constituants à plus bas point d'ébullition miscibles avec l'eau et ne réagissant pas chimiquement avec la vapeur d'eau, même aux plus hautes températures du cycle. De préférence, le fluide auxiliaire est formé d'un mélange d'hydrocarbures saturés, de nombre d'atomes de carbone compris entre 3 et 10, dont la composition en propane, ronane et butane est respectivement supérieure à 35%, 20% et 5% et dont la composition en les autres hydrocarbures saturés est inférieure à 10%. Suivant un autre mode de réalisation de la présente invention, une ou plusieurs condensations partielles ont lieu dans ledit circuit auxilinire. Suivant un autre mode encore de réalisation de la présente invention, un un ou plusieurs stades de séparation permettent, dans ledit circuit, de sépa- rer les parties condensées et les vapeurs dudit fluide auxiliaire, ces stades de séparation étant séparés les uns des autres par une desdites condensations partielles. Suivant une forme de réalisation de la présente invention, lesdites parties séparées au cours de la condensation sont portées par pompe à ladite pres- sion élevée, et éventuellement réchauffées rar échange de chaleur avec la phase vapeur en cours de condensation Tsi leur ont donné naissance, puis éventuellement réchauffées et vaporisées au moins partiellement en échange de chaleur avec une phase vapeur en cours de condensation partielle ou de refroidissement, enfin totalement vaporisés et réchauffées par un échange de chaleur avec la source chaude avant détente dans la turbine, lesdites parties condensées étant réunies entre elles après compression par pompe, de 7préférence avant leur vaporisation. La présente invention a également pour objet une installation pour la conduite du procédé ci-dessus. D'autres buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante et dé la figure jointe données a titre non liimitatif. La figure a pour objet une installation comportant d'une part, une source chaude amenée par une conduite 2 dans un échangeur la et quittant cet échangeur la par une conduite 2', et > d'autre part, une source froide amenée par une conduite 4 dans un échangeur 3 et quittant cet échangeur 3 par une conduite 4'. Un fluide auxiliaire assurant d'une part le refroidissement de la source chaude et le réchauffement de la source froide circule dans un circuit auxiliaire sur lequel est notamment dispose, après passage dudit fluide dans l'é- changeur la, une turbine 5. Ledit circuit auxiliaire comporte en outre un échangeur 6, un séparateur 7 et un certain nombre de pompes 8 assurant la circulation des phases liquides obtenues. Un exemple de fonctionnement de l'installation de la figure est donné cidessous, n titre non limitatif. Les conditions opératoires indiquées ne sont données qu'à titre indicatif. Le débit du fluide auxiliaire employé est de 100 Nm3/h. Le fluide auxiliaire est formé d'un mélange composé de C3H8 = 10% C4H10 = 48% C5H12 = C7H16 = 5% C8H18 = 5% C9H20 = 30% Ce fluide auxiliaire se présente a l'état vapeur, sous une pression de @0 atm. et à une température de 375 C à l'entrée de la turbine de détente. La détente est a l'origine de la production d'énergie sur l'arbre lie la turbine. Cette détente, jusqu'à la pression de 5 atm., est accompagnée d'un refroidissement qui porte le fluide à 345 C (dans ce cas, il n'y a pas de début de condensation dudit mélange au cours de sa détente dans une turbine). La puissance utile récupérée sur la turbine -dont le rendement est de 80% environ par rapport à l'adiabatique- est de 7 300 Kcal/h soit 8,2 Kw environ. Le mélange dont est formé le fluide est amené à 5 atm. et 345 C par la conduite 9 dans un échangeur lb. Ce fluide, quittant l'échangeur 1b par la conduite 10 à 2300C, est introduit dans l'échangeur 6 qu'il quitte à 120 C environ, par la conduite 11 pour pénétrer dans le séparateur 7. Par la conduite 12, environ 55 Nm3/h de fluide gazeux dont la composition approximative est C3H8 = 16,2% C4H10 = 70,4% C5H12 = 2,4% C7H16 = 3,1% C8H18 = 1,8% C9H20 = 6,1% sont introduits, à 120 C, dans l'échangeur 3, à contre-courant d'eau à 20 C amenée par la conduite 4 et quittant cet échangeur à 60 C par la conduite 4'. On évacue sur l'eau environ 19 813 Kcal/h. Par la conduite 13, le mélange dont est formé le fluide quitte l'échangeur 3, à l'état liquide et à une température de 30 C environ. Une pompe 8, de puissance approximative égale à 0,184 Kw (158 Kcal/h) amène le fluide, à l'état liquide, à l'échangeur 6, dans lequel il pénètre à + 35 C et à une pression de 30 atm., et qu'il quitte par une conduite 14 pour se réunir au liquide provenant de l'échangeur 6 par la conduite 16 et ayant été amené à cet échangeur 6 à une température de 125 C et une pression de 30 atm. par l'intermédiaire de la pompe Be et de la conduite 15. Cette conduite 15 permet le passage du liquide recueilli dans le séparateur 7 (environ 45 Nm3/h) à 120 C dont la composition est approximativement :: C3H8 = 2,4% C4H10 = 20,6% C5H12 = 1,5% C7H16 = 7,4% C8H18 = 8,9% C9H20 = 59,2% La pompe 8' a une puissance approximativement égale a 0,243 Kw (209 Kcal/h). Le rendement des pompes étant de 80%, les puissances respectives des pompes 8 et 8' doivent être de 0,23 Kw et 0,30 Kw. Le mélange ainsi obtenu dans la conduite 17, à 212 C environ est amené à l'échangeur lb, qu'il quitte à 2800C puis il est vaporisé dans l'échangeur la, par l'intermédiaire de la source chaude qui est amende a 4000C et quitte 1' échangeur à 3000C environ. La source chaude, formée de C02 provenant de la pile atomique d'une centrale nucléaire, apporte 26 658 Kcal/h. Le débit de CO2 est arbitraire, dans une certaine limite cependant. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux exemples ci-dessus, elle est susceptible de nombreuses autres variantes, accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées, sans que l'on s'écarte de l'esprit de l'invention. Ainsi notamment, plusieurs séparateurs et échangeurs successifs peuvent etre disposés entre les deux sources. Il est notamment possible de remplacer les échangeurs la et 1b par un seul échangeur et d'amener le mé- lange quittant la turbine à un séparateur préalablement à tout échange. Le liquide quittant l'échangeur 3, porte à la pression de 30 atm. par la pompe 8, peut, préalablement à son introduction dans l'échangeur 6, être réchauffé dans l'échangeur 3 par passage à contre-courant du fluide amené par la conduite 12. REVENDICATIONS 1) Procédé pour la production d'énergie par détente dans une turbine, s' appliquant notamment au cas où l'on dispose d'une source froide et d'une source chaude dont on veut assurer respectivement le réchauffement et le refroidissement à l'aide d'un fluide auxiliaire, ce procédé étant caractérisé en ce que l'énergie est obtenue par détente du fluide auxiliaire, à l'état gazeux et porte à pression élevée, circulant dans un circuit indépendant et formé d'un mélange de constituants, ne réagissant pas chimiquement entre eux, dont les points d'ébullition sont différents. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide auxiliaire est formé d'un mélange d'hydrocarbures saturés, dont le nombre d'ato- mes de carbone est de préférence compris entre 3 et 10, ou éventuellement de fréons, ou encore d'eau et de constituants a plus bas point d'ébullition miscibles avec l'eau et ne réagissant pas chimiquement avec la vapeur d'eau, même aux plus hautes températures du cycle. 3) Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le fluide auxiliaire est formé d'un mélange d'hydrocarbures saturés dont la composition en propane, nonane et butane est respectivement supérieure à 35%, 20 et 5% et dont la composition en les autres hydrocarbures saturés est inférieure à 10%. 4) Procédé selon une quelconoue des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que dans ledit circuit auxiliaire ont lieu une ou plusieurs condensations partielles et une condensation finale totale. 5) Procadé'. selon la revendication h, caractérisé en ce qu'un ou plusieurs stades de séparation permettent, dans ledit circuit, de séparer les parties condensées et les vapeurs dudit fluide auxiliaire, ces stades de séparation étant séparés les uns des autres par une desdites condensations partielles. 6) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdites parties séparées au cours de la condensation sont portées par pompe a ladite pression leve, et éventuellement réchauffées par échange de chaleur avec la phase vapeur en cours de condensation qui leur ont donné naissance, puis évontuel- lement réchauffées et vaporisées au moins partiellement en échange de chaleur avec une physe vapeur er cours de condensation partielle ou de refroidissement, enfin totalement vaporisées et réchauffées par un change de chaleur avec la source chaude avant détente dans la turbine lesdites parties condensées étant réunies entre elles après compression par pompe, de préférence avant leur va porisetion. 7) Installation pour la conduite du procédé suivant une quelconque des revendications 1 6.