Brevet FR2483009A1 — publié le 19811127

La nécessité d'économiser l'énergie et d'utiliser de nouvelles sources d'énergie conduit à développer des procédés de production d'é- nergie mécanique, pouvant être utilisée directement ou transformée en énergie électrique, à partir de sources de chaleur à relativement bas niveau thermique, c'est-à-dire dans une gamme de température pouvant aller par exemple de 50 à 400 OC. De telles sources de chaleur peuvent être de nature diverse: rejets thermiques industriels, chaleur trans- mise par des capteurs solaires, eau géothermale, etc... A partir de telles sources de chaleur, il est possible de produire de l'énergie mécanique au moyen d'un cycle de Rankine utilisant un fluide de travail qui est vaporisé sous pression en prélevant de la chaleur sur la source de chaleur, détendu en produisant de l'énergie mécanique, par exemple dans une turbine, cette énergie mécanique pouvant être utilisée direc- tement ou transformée en énergie électriqueet condensé au moyen d'un fluide de refroidissement, eau ou air. Pour améliorer le rendement du cycle et éviter d'opérer à très basse pression, il est avantageux de remplacer l'eau, qui est très généralement employée à plus haute température, par un fluide dont la température d'ébullition et la température critique sont beaucoup plus basses, tel que par exemple le butane ou l'ammoniac. Un tel fluide se vaporise et se condense à une température sensi- blement constante. Or la température des fluides extérieurs avec lesquels s'effec- tuent les échanges évolue, en règle générale, au cours de l'échange. Il a été découvert, et c'est là un des objets de la présente in- vention, qu'il est avantageux dans ce cas d'utiliser un mélange de fluides qui se vaporise et se condense progressivement en suivant lévo- lution de température de chacun des fluides extérieurs avec lesquels s'effectuent les échanges. Le mélange est vaporisé suivant un intervalle de température A en prélevant de la chaleur sur un fluide extérieur I qui constitue la source de chaleur et dont la température évolue suivant un intervalle de température A'. Il est alors détendu en produisant de l'énergie méca- nique qui peut être utilisée directement ou transformée en énergie électrique, puis il est condensé suivant un intervalle de température B en cédant de la chaleur à un fluide extérieur Il qui constitue le fluide de refroidissement et dont la température évolue suivant un intervalle de température B'. Pour tirer pleinement partie du procédé selon l'invention, il est nécessaire toutefois d'observer certaines conditions. Pour que le rendement obtenu soit maximum, les intervalles de température A et B doivent être aussi voisins que possible des inter- valles de température A' et B', ce qui correspond aux meilleures conditions de réversibilité thermique. L'intervalle de température A' suivant lequel la chaleur est fournie au cycle étant fixé, la composition du mélange est choisie de manière à obtenir un intervalle de vaporisation A voisin de l'intervalle de température A'. Dans le cas d'un mélange binaire, l'intervalle de température A évolue généralement comme le montre le diagramme représenté sur la Figure 1. Pour une fraction mo- laire donnéex1 du constituant I le plus volatil d'un mélange formé des constituants I et Il dont les températures de vaporisation à la pression considérée sont T et T11, la vaporisation du mélange débute à la tempé- rature de bulle du liquide TLB et se termine à la température de rosée de la vapeur TVR. L'intervalle de vaporisation est donc égal à l'écart entre les températures TLB et TVR et peut être ajusté en choisissant la composition appropriée. L'intervalle de condensation B est généralement voisin de l'inter- valle de vaporisation A. Il est dans ce cas avantageux de régler le dé- bit du fluide de refroidissement, eau ou air, employé pour effectuer-la condensation de manière à ce que l'intervalle de température BI soit voisin de-l'intervalle de condensation B. Ceci permet en outre, par rapport au fonctionnement avec un corps pur, de réduire le débit d'eau ou d'air de refroidissement et de dimi- nuer la consommation d'énergie liée à la ventilation d'air de refroidis- sement ou au pompage d'eau de refroidissement. Toutefois, il est néces- saire d'éviter que l'intervalle de-température B ne devienne trop im- portant pour éviter une baisse du rendement. Pour cette raison, il im- porte de limiter l'intervalle de température B à une valeur de 30 OC. D'autre part, cet intervalle doit être d'au moins 7 0C pour que le gain de rendement qu'apporte l'utilisation d'un mélange soit notable. Par conséquent, pour se placer dans des conditions de rendement opti- males et bénéficier des avantages qu'apporte l'utilisation d'un mélange, il importe que l'intervalle de température B soit compris entre 7 et 0C. Cette condition sera en général également valable pour l'inter- valLe de température A qui est généralement voisin de l'intervalle de température B, lorsque la vaporisation est opérée en une seule étape. La réalisation du procédé peut être décrite en se référant à l'exemple 1. EXEMPLE l L'exemple est illustré par la Figure 2. Par le conduit l arrive un débit de 5,67 m3/h d'eau à une température de 85 OC. Par le conduit 4, on fait parvenir 1254 Kg/h d'un mélange de composition suivante (en fractions molaires) Butane normal: 0,8 Hexane normal: 0,2 Ce mélange arrive à 20 0C et commence à se vaporiser à 52 0C en échangeant de la chaleur à contrecourant avec l'eau qui arrive par le conduit 1 dans l'échangeur ElOl. Après échange, l'eau ressort de l'é- changeur ElOl par le conduit 2 à une température de 60 0C et le mélange ressort vaporisé de l'échangeur E101 par le conduit 3 à une température de 75 0C et à une pression de 4,1 atm. Le mélange est alors détendu dans le moteur à palettes Ml qui en- - traîne l'alternateur ATi. On recueille aux bornes de l'alternateur une puissance électrique de 9 kW. Le mélange ressort du moteur à palettes A Ml à une pression de 1,6 atm. Il est condensé progressivement/dans l'é- changeur E102-d'o il est recueilli dans le bac de réserve Bi. Le re- froidissement est assuré par de l'eau qui entre par le conduit 7 à 12 0C et ressort par le conduit 8 à 32 OC. Le mélange liquide est repris, à travers le conduit 6, par la pompe Pi et recyclé à l'évaporateur ElOl. Dans cet exemple, l'utilisation d'un mélange de butane et d'hexane, permet,au cours des étapes de vaporisation et de condensation,de suivre l'évolution de température des fluides extérieurs, le mélange de fluides se vaporisant suivant une évolution croissante de température parallèle= à l'évolution décroissante de température du fluide extérieur I et se condensant suivant une évolution décroissante de température parallèle à l'évolution croissante de température du fluide extérieur Il. Ces évolutions de température nécessitent d'opérer les échanges de chaleur à l'évaporateur et au condenseur dans des conditions aussi proches que possible du contre-courant. Un mode d'échange de chaleur à contre-cou- rant pur représente la solution préférée mais pour des raisons de réa- lisation, il est également possible de monter des surfaces d'échange selon un agencement globalement à contre-courant, chacune des surfaces d'échange faisant partie dudit agencement fonctionnant dans des conditions différentes du contre-courant, par exemple suivant un échange de chaleur à courants croisés ou encore avec une circulation d'un des fluides s'effectuant dans des tubes en U. Les mélanges utilisés peuvent être des mélanges de deux, trois (ou davantage) constituants (composés chimiques distincts). Les constituants du mélange peuvent être des hydrocarbures dont la molécule comprend un nombre d'atomes de carbone compris par exemple entre 3 et 8, tels que le propane, le butane normal et l'isobutane, le pentane normal et l'i- sopentane, I'hexane normal et l'isohexane, I'heptane normal et l'iso- heptane, I'octane normal et l'isooctane ainsi que des hydrocarbures aromatiques tels que le benzène et le toluène et des hydrocarbures cy- cliques tels que le cyclopentane et le cyclohexane. Lorsque l'on désire que le mélange ne soit pas inflammable ou ne soit que difficilement inflammable, le mélange utilisé peut être un mélange d'hydrocarbures halogénés du type "Fréon" tels que le chlorodifluorométhane (R-22), le dichlorodffluorométhane (R-12), le chloropentafluoroéthane (R-115), le difluoroéthane (R-152), le trichlorofluorométhane (R-11), le dichloro- tétrafluoroéthane (R-114), le dichlorohexafluoropropane (R-216), le dichlorofluorométhane (R-21), le trichlorotrifluoroéthane (R-113). L'un des constituants du mélange peut être un azéotrope tel que le R-502 azéotrope de R-22 et de R-115 (48,8/52,2 % en poids), le R-500 azéotrope de R-12 et de R-31 (78,0/22,0 % en poids), le R-506 azéotrope de R-31 et de R-114 (55,1/44,9 % en poids). D'autres types de mélanges sont des mélanges comprenant de l'eau et au moins un second constituant miscible avec l'eau tels que les mé- langes formés d'eau et d'ammoniac, les mélanges formés d'eau et-d'une amine telle que la méthylamine ou l'éthylamine, les mélanges formés d'eau et d'un alcool tel que le méthanol, les mélanges formés d'eau et d'une cétone telle que l'acétone. Lorsque le procédé fonctionne selon le schéma représenté sur la Figure 2, la composition du mélange est choisie de manière à ce que les intervalles de vaporisation A et de condensation B soient les plus voisins possible des intervalles de température A' et B' selon lesquels évoluent les fluides extérieurs. Pour obtenir un gain maximum sur-le rendement, il est préférable que l'écart entre les intervalles de tem- pérature A et A' soit inférieur à 5 C. Si la chaleur récupérée à l'évaporateur est disponible dans-un intervalle de température relativement large et que le mélange est choisi pour se vaporiser suivant un intervalle de température voisin, opérer selon le schéma de fonctionnement représenté sur la Figure 2 conduit à fonctionner avec un large intervalle de température B, ce qui ne correspond pas aux conditions les plus favorables au rendement. On peut dans ce cas opérer selon le schéma de fonctionnement représenté sur la Figure 3. Le mélange est condensé dans l'échangeur E105 en étant refroidi par un fluide extérieur qui entre par le conduit 9 et ressort par le conduit 10. Le mélange condensé ressort de l'échangeur E105 par le conduit Il et il est envoyé dans le bac de réserve B2. La pompe Pll permet d'envoyer.une fraction du mélange liquide par le conduit 12 dans l'échangeur E103 dans lequel il se vaporise suivant un intervalle de température Al en échangeant de la chaleur avec un fluide extérieur qui entre par le conduit 13 et ressort par le conduit 14. Le mélange ressort vaporisé de l'échangeur E103 par le conduit 15 et il est envoyé dans l'étage moteur M2. La pompe P10 envoie la fraction restante du mélange liquide par le conduit 16 dans l'échangeur E104, dans lequel il se vaporise suivant un intervalle de température A2 en échangeant de la chaleur avec le fluide extérieur qui arrive par le conduit 14 et res- sort par le conduit 17. Le mélange ressort vaporisé de l'échangeur E104 et la vapeur ainsi obtenue est mélangée avec la vapeur provenant de la détente à travers l'étage M2, puis détendue en même temps que la vapeur provenant de l'étage M2 dans l'étage moteur M3 d'o elle ressort par le conduit 19. A condition de choisir convenablement le niveau de pression inter- médiaire, c'est-à-dire la pression à laquelle le mélange se vaporise dans l'échangeur E104, les intervalles de température A1 et A2 peuvent être consécutifs et il est ainsi possible de suivre avec le mélange une évolution de température parallèle.à une évolution de température du fluide extérieur qui fournit de la chaleur au cycle, correspondant à un- intervalle de température A' environ deux fois-plus large que dans le cas du schéma de fonctionnement représenté sur la Figure 2. Dans certains cas les conditions extérieures peuvent varier; par exemple les débits et les températures d'entrée des fluides extérieurs peuvent varier. Dans ce cas, il est avantageux d'opérer selon l'agence- ment schématisé sur la Figure 4. Le mélange condQnsé n'est vaporisé que partiellement dans l'échangeur E106 en prélevant de la chaleur sur le fluide extérieur qui arrive par le conduit 20 et repart par le conduit 21. A la sortie de l'échangeur E106 les fractions liquide et vapeur sont séparées dans le ballon séparateur Si. La fraction vapeur est détendue dans la turbine T3. La phase liquide est envoyée dans l'échangeur E107 dans lequel elle échange de la chaleur avec le mélange condensé qui est envoyé à l'évaporateur, puis détendue à travers la vanne de détente VI et mélangée avec la phase vapeur détendue sortant de la turbine T3. Le mélange liquide vapeur ainsi obtenu est condensé en cédant de la cha- leur à un fluide extérieur de refroidissement, recueilli dans le bac de réserve B3 et recyclé par la pompe P3 à l'évaporateur. Les conditions de fonctionnement d'un dispositif opérant selon l'agencement schématisé sur la Figure 4 font l'objet de l'exemple 2. EXEMPLE 2 L'exemple est illustré par la Figure 4. Par la pompe P3, on fait circuler un débit de 3956 Kg/h d'un mélange d'eau et d'ammoniac de composition suivante (en fractions poids) NH3: 0,75 H:20 0,25 Ce mélange est envoyé par le conduit 31 dans l'échangeur E107 d'o il ressort par le conduit 22 à la température de 55 0C. Il est alors envoyé dans l'échangeur E106 dans lequel il se vaporise partiellement en prélevant une puissance thermique de 1585 kW sur un débit d'eau qui arrive par le conduit 20 à une température de 90 OC et ressort par le conduit 21 à une température de 65 0C. Le mélange liquide-vapeur res- sort de l'échangeur E106 par le conduit 23 à la température de 85-0Cet à la pression de 20 Kgf/cm2. Ilest recueilli dans le bac séparateur Si dans lequel la phase liquide et la phase vapeur sont séparées. La phase liquide contient 52 % d'ammoniac en poids. Elle est évacuée par le conduit 25-et envoyée à l'échangeur E107. La phase vapeur est envoyée par la conduite 24 dans la turbine T3 dans laquelle elle est détendue jusqu'à une pression de 8 Kgf/cm2. Sur l'arbre de la turbine T3 on recueille au moyen du frein électrique FE1 une puissance de 100 kW. La vapeur détendue est évacuée par le conduit 26. La phase liquide qui ressort par le conduit 27 de l'échangeur E107 est détendue à travers la vanne de détente Vl, d'o elle ressort par le conduit 28. Elle est alors mélangée avec la phase vapeur arrivant par le conduit 26 et lé mélange liquide-vapeur est envoyé par le conduit 29 dans l'aéroréfrigérant AR1, dans lequel il est entièrement condensé B et d'o il ressort par le conduit 30 à la température de 28 OC. L'aéro- condenseur AR1 est formé de tubes munis d'ailettes à l'intérieur desquels le mélange circule en se condensant, ces tubes étant disposés en cinq nappes placées transversalement par rapport à la circulation d'air mais montées à contre-courant, le mélange circulant ainsi globalement à contre-courant de l'air de refroidissement. Le mélange condensé est re- cueilli dans le bac de réserve B3 d'o il est repris par la pompe d'ali- mentation P3. Le schéma de fonctionnement, représenté sur la Figure 4, permet de s'adapter à des conditions de fonctionnement variables. En particulier, en modifiant le débit acheminé par la pompe P3 à travers le conduit 31, il est possible de modifier les niveaux de pression à l'évaporateur et au condenseur. En particulier en augmentant le débit de la pompe P3, pour des températures de sortie à l'évaporateur et au condenseur fixées, on diminue les niveaux de pression à l'évaporateur et au condenseur, ce qui permet de réduire la capacité du système, c'est-à-dire la puissance délivrée sur l'arbre. Quel que soit le schéma de fonctionnement, les conditions de fonc- tionnement sont choisies en général de manière à ce que la pression du mélange dans l'évaporateur soit comprise entre 3 et 30 bars et de ma- nière à ce que la pression du mélange dans le condenseur soit comprise entre 1 et 10 bar. L'intervalle de température A est généralement com- pris dans la gamme de température allant de 50 à 350 0C et l'intervalle de température B est généralement compris dans la gamme de température allant de 20 à 80 OC. Les schémas de fonctionnement donnés à titre d'exemples ne sont pas limitatifs et en particulier tous les perfectionnements connus de l'homme de l'art dans le cas des cycles de Rankine utilisant un corps pur comme fluide de travail peuvent être envisagés dans le cas des mé- langes. Par exemple lorsque le moteur dans lequel s'effectue la détente de la phase vapeur comporte plusieurs étages, il est possible de pré- chauffer le mélange liquide envoyé à l'évaporateur par un échange de chaleur avec une fraction vapeur prélevée entre deux étages du moteur, la condensation de cette fraction vapeur permettant de préchauffer [e mélange liquide. Il est également possible d'effectuer différentes variantes et combinaisons à partir des schémas de base qui ont été décrits. Par exemple, il est possible d'effectuer une vaporisation en deux ou plu- sieurs étapes à des niveauxde pression différents pour élargir l'in- tervalle de prélèvement de la chaleur, la vaporisation effectuée au cours de chacune desdites étapes de vaporisation n'étant que partielle et la phase liquide restant à l'issue desdites étapes de vaporisation étant recyclée à l'étape de condensation selon l'agencement qui a été décrit dans l'exemple 2 dans le cas d'une seule étape de vaporisation. D'autre part, différents types d'équipements connus de l'homme de l'art peuvent être utilisés dans le procédé selon l'invention. L'évaporateur et le condenseur peuvent être par exemple des échan- geurs à tubes et calandre, des échangeurs à double-tube ou des échan- geurs à plaques. Lorsque l'échange de chaleur s'effectue avec un fluide qui est un gaz, par exemple si l'air est utilisé comme fluide de refroi- dissement au condenseur, il est généralement avantageux de munir les surfaces d'échange d'ailettes placées du côté du gaz pour améliorer l'é- change thermique avec ce gaz. La détente de la phase vapeur générée dans l'évaporateur, qui per- met de produire de l'énergie mécanique, peut s'effectuer dans toutes les machines connues pour cet échange: une telle machine peut être par exemple une turbine à une roue ou à plusieurs roues, radiale ou axiale, une machine-à vis du même type que les compresseurs à vis mais fonction- nant en détente, un moteur à palettes ou un moteur alternatif à pistons. La puissance mécanique délivrée peut être très variable et aller par exemple de quelques kW à plusieurs Mégawatts. REVEND ICATIONS 1. Procédé de production d'énergie mécanique caractérisé (a) en ce que Iton vaporise progressivement un mélange de fluides (M) comprenant au moins deux constituants ne formant pas d'azéotrope dans les condi- lions de vaporisation, en prélevant la chaleur de vaporisation au moins en partie sur un fluide extérieur I dont la température évolue suivant un intervalle de température A' au cours de l'échange, la température du mélange évoluant suivant un intervalle de température A, (b) en ce que l'on détend la pbase vapeur ainsi obtenue en pro- duisant de l'énergie mécanique, (c) en ce que l'on condense progres- sivement, suivant un intervalle de température B, la vapeur ainsi obtenue en cédant de la chaleur à au moins-un fluide extérieur Il dont la température évolue suivant un intervalle de température Bt, l'intervalle de température B étant compris'entre 7 et 30 0C1et (d) en ce que la phase liquide provenant de liétape (c) est recyclée à l'étape (a). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les échanges de cha- leur effectués avec les fluides extérieurs I et Il sont opérés à contre-courant, le mélange de fluides se vaporisant suivant une évo- lution croissante de température parallèle à l'évolution décroissante de température du fluide extérieur I et se condensant suivant une évolution décroissante de température parallèle à l'évolution crois- sante de température du fluide extérieur Il. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel l'écart entre l'intervalle de température A et l'intervalle de température A' est inférieur à 5 OC. 4. Procédé selon l'une des revendications l à 3, dans lequel le mélange (M) est vaporisé en au moins deux étapes effectuées à des niveaux de pression différents, une première fraction du mélange étant vaporisée au niveau de pression le plus élevé en prélevant de la chaleur dans un premier intervalle de température, la phase vapeur obtenue étant envoyée en tête de la machine motrice dans laquelle s'effectue la dé- tente, ladite machine motrice comprenant un nombre d'étages au moins égal au nombre d'étapes de vaporisation, la fraction restante étant vaporisée en au moins une étape effectuée à un niveau de pression in- férieur au niveau de pression de la première étape, en prélevant de la chaleur dans un intervalle de température situé au moins en-partie audessous du premier intervalle de température, la ou les fractions vapeur ainsi obtenues étant envoyées aux étages successifs de Fa machine motrice dans laquelle s'effectue la détente en des points correspondants aux niveaux de pression de la vapeur, le mélange va- peur obtenu après détente étant condensé et la phase liquide obtenue après condensation étant recyclée aux étapes de vaporisation. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le mélange (M) est vaporisé partiellement dans l'évaporateur en prélevant de la chaleur sur un fluide extérieur, la phase vapeur et la phase liquide ainsi obtenues-étant séparées, la phase vapeur étant détendue en pro- duisant de l'énergie mécanique, la phase liquide étant envoyée dans un échangeur dans lequel elle échange de la chaleur avec le mélange (M) condensé qui est envoyé à l'évaporateur, la phase liquide étant ensuite détendue et mélangée avec la phase vapeur détendue, le mé- lange liquide-vapeur ainsi obtenu étant condensé en cédant de la cha- leur à un fluide extérieur, le mélange (M) condensé ainsi obtenu étant recyclé à l'évaporateur. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le mélange est un mélange d'hydrocarbures dont le nombre d'atomes de carbone est de 3 à 8. 20. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le mélange est un mélange d'hydrocarbures halogénés. *8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5> dans lequel le mélange est un mélange d'eau et d'au moins un constituant miscible à l'eau choisi parmi les alcools, les cétones et les amines. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le mélange est un mélange d'eau et d'ammoniac. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel l'inter- valle de température A est compris dans la gamme de température al- lant de 50 à 350 'C et dans lequel l'intervalle de température B est compris dans la gamme de température allant de 20 à 80 C. 11. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, dans lequel la pres- sion du mélange dans l'évaporateur est comprise entre-3 et 30 bar et la pression du mélange dans le condenseur est comprise entre 1 et 10 bar. il 12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11, dans lequel l'énergie mécanique produite par détente du mélange en phase vapeur est con- vertie en énergie électrique.