Brevet FR2490331A1 — publié le 19820319

Installation de production d'énergie mettant en oeuvre un fluide auxiliaire, notamment utilisant le ravonnement solaire La présente invention a pour objet une installation de production d'énergie dans laquelle un fluide de travail est chauffé à partir d'une source de chaleur émettant un flux thermique élevé. Elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans les installations solaires. Elle présente toutefois un intérêt chaque fois que l'on doit chauffer un fluide de travail ayant une faible conductivité thermique à partir d'une source émettant un flux élevé. Le problème de transmission de chaleur depuis une source émettant un flux élevé se pose notamment lorsque le fluide de travail est un gaz ou une vapeur auxquels on ne peut transmettre que des flux thermiques limités, ce qui est le cas par exemple dans les installations à turbine à gaz utilisant un combustible impur (autre que gaz naturel ou fuel distillé) et dans les surchauffeurs de centralesthermiquesclassiques. Cette limitation du flux thermique conduit à utiliser des surfaces d'échange extrêmement importantes, afin de diminuer les flux unitaires, ce qui se traduit par un volume, un poids et un prix de revient très élevés. On connait des installations permettant de résoudre le problème de la transmission de chaleur à un fluide de travail ayant une mauvaise conductibilité thermique à partir d'une source de chaleur émettant un flux thermique élevé, comportant un faisceau d'échange appartenant à un circuit parcouru par le fluide et un faisceau auxiliaire parcouru par un fluide auxiliaire. Dans les installations connues de ce type, le fluide auxiliaire constitue un fluide primaire à conductibilité thermique élevée et le faisceau correspondant est prévu pour absorber la totalité du flux thermique. Le transfert de chaleur entre le fluide primaire bon conducteur et le fluide de travail mauvais conducteur s'effectue dans le faisceau d'échange.Etant donné la bonne conductibilité thermique du fluide primaire, ce faisceau d'échange peut être de relativement faibles dimensions si on emploie des techniques adaptées, par exemple des tubes à ailettes permettant une bonne répartition des flux thermiques. Mais cette solution présente de nombreux inconvénients. On est pratiquement conduit à employer comme fluide auxiliaire un métal liquide, tel que le sodium ou lreutectique sodium-potassium, qui soulève des problèmes de corrosion à hautes températures : et surtout la température maximale du fluide de travail dans son circuit est forcément inférieure à celle à laquelle on peut porter le fluide auxiliaire. Cette limitation de température se traduit à son tour par une limitation de rendement. La présente invention vise à fournir une installation de production d'énergie répondant mieux que celles antérieurement connues aux exigences de la pratique, notamment en ce que la température maximale du fluide de travail n'est plus conditionnée par la nature du fluide auxiliaire. Dans ce but, l'invention propose notamment une installation du genre défini ci-dessus dans laquelle le faisceau auxiliaire est interposé entre la source et le faisceau d'échange de façon à n'absorber qu'une fraction dudit flux et ledit circuit comporte un échangeur de préchauffage du fluide de travail par le fluide auxiliaire, placé en amont dudit faisceau d'échange. Le faisceau auxiliaire sera généralement constitué par une grille de tubes disposés suivant un réseau à au moins une dimension. Il est possible de prévoir plusieurs nappes de tubes situés dans des plans parallèles et croisés. Cette disposition permet de donner à la grille un taux de vide variable, minimum dans une partie centrale où la densité du flux thermique est maximum. Le fluide de travail peut notamment être un gaz, tel que l'air, lorsque le circuit principal incorpore une turbine à gaz. Le fluide auxiliaire sera choisi en fonction des températures à atteindre. L'eau présente l'inconvénient de ne se prêter qu'à des températures faibles lorsqu'on veut éviter la mise sous pression du circuit parcouru par le fluide auxiliaire. On peut envisager l'emploi de fluides caloporteurs organiques et surtout des métaux fondus tels que le sodium. Il sera souvent avantageux de ne pas dépasser une température maximale de sodium de 7200C dans le circuit auxiliaire pour éviter des problèmes de corrosion qui conduisent à utiliser des éléments de structure coûteux. Dans l'application de l'installation à l'exploitation de l'énergie solaire, la source sera généralement constituée par un système de miroirs concentrant l'éner- gie solaire dans un plan focal. Le faisceau auxiliaire sera alors constitué de tubes placés dans le plan focal, typiquement à l'entrée d'une chaudière de forme générale parallélépipédique, tandis que le faisceau d'échange comportera des tubes tapissant au moins le fond de la chaudière, et généralement aussi le plafond et les côtés. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe d'une installation comportant un circuit principal parcouru par de l'air et un circuit auxiliaire parcouru par du sodium - la figure 2 est un schéma de principe montrant une constitution possible du faisceau auxiliaire de l'installation de la figure 1 - la figure 3 est une vue en perspective montrant les constituants principaux d'une installation de production d'énergie à partir du rayonnement solaire conforme au schéma de principe de la figure 1 - la figure 4 est un schéma montrant une répartition avantageuse des tubes constitutifs du faisceau d'échange de la chaudière de l'installation de la figure 3 - la figure 5 est un schéma de principe d'une installation constituant une variante de celle de la figure 1, incorporant un cycle de queue a' vapeur. L'installation dont le schéma de principe est montré en figure 1 peut être incorporée à une centrale solaire recevant un flux 0 d'un champ d'héliostats de concentration. L'installation comprend un circuit principal 10 parcouru par un fluide de travail, qu'on supposera être de l'air, et un circuit auxiliaire 11 en boucle fermée. Le rayonnement 'solaire est focalisé sur l'ouverture d'une chaudière 12 qui est généralement portée par une tour à une altitude dépassant 100 m, ce qui rend particulièrement souhaitable une réduction des dimensions et du poids de cette chaudière. Le circuit auxiliaire li, parcouru par un fluide de conductivité thermique élevée, par exemple du sodium fondu, comporte, en série, un faisceau auxiliaire 13 barrant l'entrée de la chaudière et situé approximativement dans le plan de focalisation, formé par un réseau de tubes parallèles, le primaire d'un échangeur de préchauffage 14 et un circulateur 15. Sur la figure 1, le faisceau 13 est constitué de tubes parallèles suivant une seule direction.Le diamètre et l'écartement des tubes constituant le faisceau 13 sont choisis de façon que le taux de vide du faisceau (rapport entre les espaces libres entre tubes et la surface totale occupée) ne laisse passer qu'un flux 1 inférieur à généralement compris entre 0,1 0 et 0,5 0. De plu- le faisceau 13 sera dimensionné de façon que la température de sortie du sodium ne dépasse pas 7200C, température au-delà de laquelle on se heurte à des problèmes de corrosion. Quant à la température d'entrée elle sera awrantageusement de l'ordre de 4000C, valeur qui s'est révélée satisfaisante du point de vue des échanges thermiques avec le fluide de travail et des contraintes. Le circuit principal 10 est ouvert. il comprend un compresseur 18 d'alimentation du secondaire de l'échangeur de préchauffage 14, le faisceau 16 d'échange recevant le flux Fez et une turbine 17 d'en traînement d'une charge, telle qu'un alternateur 19. Une chambre de combustion 20 peut être insérée sur le circuit de façon à maintenir la température de l'air à l'entrée de la turbine à sa valeur nominale lors de passages nuageux. Le faisceau 16 peut être constitué d'un réseau detubes tapissant le fond, le plafond et les parois latérales de la chaudière 12. Cette calldière sera dimensionnée de façon que la portion du faisceau 16 qui revêt le fond et le plafond, et qui reçoit l'essentiel de l'énergie ayant traversé le faisceau 13, reçoive un flux sensiblement homogène : cette homogénéité est pratiquement réalisée dès une distance de trois fois le diamètre des tubes constitutifs du faisceau 13. La figure 2, où les organes correspondant à ceux de la figure 1 portent le même numéro de référence, affecté de l'indice a, montre un faisceau auxiliaire 13a constitué de tubes disposés suivant deux nappes, les tubes 21 d'une nappe étant croisés avec les tubes 22 de la seconde nappe. Cette disposition permet de réduire sensiblement le flux qui atteint la paroi du fond de la chaudière et, en conséquence, la profondeur de celle-ci. On constate que cette disposition fait apparaitre, dans le plan de focalisation, trois zones dans lesquelles le taux de vide du faisceau 1@a est différent. Les trois taux de vide peuvent être choisis en fonction de la carte de rlux dans le plan focal pour assurer une adaptation aussi satisfaisante que possible. Dans la partie centrale, le taux de vide sera particulièrement faible.Il sera augrenté dans les zones qui ne sont occupées que par une nappe de tubes. I1 sera égal å I dans les zones qui ne sont traversées par les tubes d'aucune des deux nappes. Les tubes des deux faisceaux sont associés à des collecteurs et des tubulures d'entrée et de sortie disposés de façon que le fluide auxiliaire (sodium fondu) traverse l'ouverture de la chaudière 12a successivement de bas en haut, puis horizontalement. La chaudière peut comporter une ouverture d'entrée de forme octogonale 23 facilitant la mise en place des nappes ae tubes. On peut naturellement prévoir plus de deux nappes, mais la complication qui en résulte n'est généralement pas justifiée. La chaudière montrée en figue 2 peut être pratiquement réalisée sous la forme montrée en figures 3 et 4, où les organes correspondant a ceux déjà décrits sont désignés par le même numéro de référence affecté de l'indice b. La chaudière 12b montrée en figure 3 colporte une enceinte parallélépipédique portée par une tour, à arêtes horizontales et verticales. Cette enceinte doit être thermiquement isolée. Pour cela, on peut la constituer par une paroi de briques réfractaires 24 doublée extérieurement par une couche de laine de roche 25. A l'avant, la chaudière se prolonge par un pan 26 incliné vers le champ d'héliostats, typiquement de 35 environ. Ainsi, l'ouverture de la chaudière, délimitée par un écran 27, se trouve approximativement perpendiculaire au flux incident 0. Les deux nappes de tubes 21b et 22b sont placées dans l'ouverture et raccordées a des tubulures de jonction avec le reste du circuit llb. Les tubes du faisceau 16b tapissent le fond, le plafond et les parois latérales de la chaudière 12b. Le flux reçu par le fond étant supérieur aux flux reçus par les côtés et le plafond de la chaudière, on pourrait penser qu'il est préférable de faire circuler l'air sur un côté et la moitié du plafond pour que le débit soit comparable à celui balayant le fond. Mais, pour diminuer les pertes de charge, il est plus avantageux d'utiliser la disposition montrée en figure 4 dans laquelle la circulation le long du plafond est disjointe de la circulation le long des côtés. On voit que l'air admis dans un collecteur d'admission 28 se répartit entre les tubes de plafond 29 et les tubes de côté 30 qui débouchent dans un collecteur de sortie 31. L'air admis dans les tubes de fond 32 sort de son côté par un collecteur 33. Les collecteurs 31 et 33 débouchent dans une même culotte de raccordement à une conduite générale 34 (figure 3) d'amenée d'air à la turbine. La conduite 34, comme l'ensemble du circuit d'air, est munie d'un calorifugeage, par exemple en laine de verre. L'échangeur 14b de préchauffage d'air peut être de constitution classique et formé par une enceinte tubulaire de circulation d'air dans laquelle sont placés des serpentins de circulation de sodium. Cet échangeur peut être situé dans le corps de la tour portant la chaudiere, à proximité immédiate de la chaudière. A titre d'exemple, on peut donner les caractéristiques numériques ci-après, qui sont celles d'une installation envisagée. La chaudière 12b présente une partie parallélépipédique de 7,4 m de longueur, 7 m de hauteur et 7,8 m de largeur, munie d'un isolement de briques de 64 mm d'épaisseur et de laine de 50 mm d'épaisseur. Le faisceau auxiliaire 13b est constitué de deux nappes de 81 tubes de 20 mm de diamètre, séparés par une distance de 13,5 mm. On notera-au passage qu'on aura intérêt à utiliser une nappe constituée de tubes dont le diamètre est supérieur à l'écartement. Le circuit auxiliaire est parcouru par du sodium dont la température nominale est de 4000C à l'entrée de la chaudière et de 7200C à la sortie. Le circuit principal comporte un échangeur 14b de 11 m de haut et de 2,5 m de diamètre dans lequel l'air provenant du compresseur est admis à une température de 2920C et d'ou il sort à une température de 7000C, A la sortie de la chaudière 12b, l'air est à une température qui ne pourra guère dépasser 8500C. Pour améliorer le rendement de l'installation, on a intérêt à y ajouter un cycle de queue, qui peut être un cycle eau-vapeur du genre montré en figure 5, où les organes correspondant à ceux déjà décrits sont désignés par le meme numero de référence affecté de l'indice c. Les gaz sortant de la turbine 17c à une température qui sera généralement d'au moins 4200C traversent un échangeur 35 avant de s'échapper à l'atmosphère à basse température. L'échangeur 35 constitue la source chaude du cycle de queue comprenant une turbine à vapeur 36; un condenseur 37 et une pompe de recirculation 38. Ce cycle de queue peut naturellement être compliqué davantage pour augmenter encore le rendement. On peut également lui substituer un cycle simplifié dechauffage de l'air admis au compresseur 18c du circuit principal. Quel que soit le mode de réalisation retenu, l'installation présente, sur celles utilisant un fluide primaire, l'intérêt que le fluide auxiliaire n'impose plus la température maximale dans le circuit principal. Elle présente sur les installations classi- ques l'intérêt de diminuer notablement les dimensions des composants du système. Le tableau ci-dessous permet de comparer une installation classique à fluide primaire (Installation I), une installation utilisant une chaudière classique à air (Installation II) et une installation conforme à l'invention (Installation III). Dimensions de la chaudière Masse totale t de Rendement en mètres des tubes sortie du cycle Hauteur Largeur Profondeur (kg) de l'air thermodyna- Hauteur Largeur Profondeur ( C) mique I 8 8 1 5500 720 30,4% II 17 13 20 17100 800 34X III 7 8 10 7600 850 35,9 On voit que l'invention permet d'atteindre une température plus élevée et un rendement accru, comparés à une installation à fluide primaire. L'invention n'exige qu'une chaudière beaucoup moins lourde et beaucoup moins coûteuse qu'une installation classique. L'invention ne se limite évidemment pas au mode particulier de réalisation qui a été représenté et décrit à titre d'exemple et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend à toute variante restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATiONS 1. Installation de production d'énergie dans laquelle un fluide de travail est chauffé à partir d'une sour de chaleur émettant un flux thermique élevé, comportantn faisceau d'échange appartenant à un circuit (10) parcouru par le fluide et un faisceau auxiliaire parcouru par un fluide auxiliaire, caractérisée en ce que le faisceau auxiliaire (13) est interposé sur le trajet du flux thermique entre la source et le faisceau d'échange (16) et est prévu pour n'absorber qu'une fraction du flux et en ce que ledit circuit (10) comporte un échangeur (14) de préchauffage du fluide de travail par le fluide auxiliaire, placé en amont du faisceau d'échange (16) sur le circuit (10). 2. Installation suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le faisceau auxiliaire (13) est constitué par une grille de tubes disposés suivant un réseau à au moins une dimension. 3. Installation suivant la revendication 2, caractérisée en ce que le faisceau auxiliaire comporte plusieurs nappes de tubes situés dans des plans parallèles et croisés uniquement dans une zone centrale de façon à présenter un taux de vide variable. 4. Installation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le fluide de travail est un gaz, tel que l'air, et le fluide auxiliaire est un métal fondu. 5. Installation suivant l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la source est constituée par un système de concentration de l'énergie solaire, caractérisée en ce que le faisceau auxiliaire est constitué de tubes placés à l'entrée d'une chaudière paràllélépipédique, tandis que le faisceau d'échange comporte des tubes tapissant au moins le fond de la chaudière (12-12b). 6. Installation suivant la revendication 5, caractérisée en ce que le faisceau d'échange est placé à une distance du faisceau auxiliaire au moins égale à trois fois le diamètre des tubes du faisceau auxiliaire. 7. Installation suivant la revendication 5 ou 6, caractérisée en ce que le faisceau auxiliaire est prévu pour absorber une fraction du flux thermique incident comprise entre 0,1 et 0,5.