Brevet FR2499149A1 — publié le 19820806

PROCEDE DE TRANSFORMATION D'ENERGIE THERMIQUE EN ENERGIE MECANIQUE L'invention concerne un procédé pour transformer la chaleur sensible d'un fluide énergétique en énergie mécanique, dans lequel le fluide subit un échange de chaleur avec un agent auxiliaire fluide circulant dans un circuit fermé, cet agent auxiliaire étant vaporisé, détendu, condensé puis porté à une pression supérieure. il est déjà connu de transformer de l'énergie thermique en énergie mécanique ou électrique au moyen d'un cycle du genre defini ci-dessus, no tamnent au moyen du cycle dit "Clausius-Rankine". On utilise habituellement comme agent auxiliaire un hydrocarbure halogéné pur qui est vaporisé au cours de l'échange de chaleur avec le fluide. Etant donné que la chaleur sensible est fournie de façon variable dans les limites d'un intervalle de température mais qu'elle n'est absorbe que de façon isotherme par l'agent auxiliaire dont la vaporisation se produit à une température constante, il est impossible d'éviter des pertes d'exergue au cours de l'échange de chaleur entre le fluide et l'agent auxiliaire. La chaleur de condensation se présente également de façon isotherme dans le cas d'un agent auxiliaire simple ou pur.En conséquence, pour pouvoir transformer de la chaleur sensible en énergie mécanique avec un rendement optimum, il est essentiel, dans le cycle de Clausius-Rankine connu que la chaleur de condensation dégagée lors de la condensation de l'agent auxiliaire soit absorbée a une température aussi basse que possible par un réfrigérant, par exemple par de l'eau, c'est-à-dire avec un écart faible. Ceci nécessite des quantités de réfrigerant considérables. Dans certaines conditions, lors de la transformation de chaleur sensible en énergie électrique, on doit dissiper par unité de temps une quantité de chaleur de condensation égale à 12 fois la quantité d'énergie électrique fournie. Cette grande quantité de chaleur perdue, par unité de courant électrique produit, conduit à des couts extrêmement élevés pour le réfrigérant. Ce procédé n'est donc pas optimal du point de vue thermodynamique, tout en impliquant des coûts élevés pour l'évacuation de la chaleur de conden sation. L'invention a donc pour but de créer un procéde du genre défini cidessus avec lequel les coûts d'évacuation de la chaleur de condensation puissent être réduits sans que le rendement du procédé ne soit détérioré. Suivant l'invention, ce problème est resolu par le fait que l'agent auxiliaire circulant en circuit fermé, est compose d'un mélange d'au moins deux composants. Jusqu'à présent, on utilisait un agent auxiliaire qui, comme tous les éléments et composés chimiques, possède pour une pression donnée une température d'ébullition nettement déterminée, ou un point d'ébullition précis. Au contraire, suivant l'invention, on utilise des mélanges de deux (ou plus de deux) composants d'agent auxiliaire qui ne possèdent pas un point d'ébullition précis, mais une cerbalne phase d::ébullition entre des limites d'ébullition déterminées, c'est-à-dire dans les limites d'un cer tain intervalle d'ébullition. A la différence du procédé antérieur, ,a chaleur sensible qui est fournie n'est pas absorbe de façon isotherme par un agent auxiliaire à une température constante, avec une grande perte d'exerUieo Au contraire, la chaleur sensible est absorbée egalement de fa- çon variable par i 'agent auxliaire. Par- un choix approprié des proportions des différents compos?lnts de -l 'agent auxiliaire, du nombre de ces composants, ainsi que des niveaux de pression utilises dans le processus Clausius Rankine, on peut adapter de façon optimale l'allure de la courbe de temps rature de l'agent auxiliaire qui absorbe la chaleur à celle du fluide fournissant la chaleur, et l'on peut réduire ainsi les pertes d'exergie. Apres vaporisation, l'agent auxiliaire est détendu et ensuite conden se en subissant un change de chaleur avec le réfrigérant. La limite supé rieure de la température de condensation de l'agent auxiliaire, constituée par au moins deux composants, est alors, pour une température de réfrigé- rant donnée, supérieure à la température de condensation d'un agent auxi liaire à un seul composant. En revanche, du côté émission de chaleur du processus de Clausius-Rankine, on doit accepter des pertes d'exergie. Toutefois, en quantité, ces pertes sont plus petites que la quantité d' exergie qui est gagnée du côté réception de chaleur du processus suivant l'invention, de sorte que le rendement du procédé suivant l'invention est amélioré. Par ailleurs, un grand avantage consiste en ce que la consomma tion de réfrigérant peut être considérablement abaissée. Selon la plage (ou fourchette) de température du réfrigérant, qui semblait encore accep table dans les processus Clausius-Rankine antérieurs, on peut réduire à 1/2 OU y3 la consommation de réfrigérant et, de cette façon, également le coût du réfrigérant utilisé. En principe, on peut utiliser comme agent auxiliaire tous les hydrocarbures halogénés (fluides frigorigènes) ainsi que les hydrocarbures à bas poids moléculaire. Toutefois, un melange binaire de trichloromonofluorométhane et de dichlorodifluorométhane, dans des proportions d'environ 30-70/70-30% en poids s'est révélé particulièrement bien approprié. Le procédé suivant l'invention peut être appliqué avec avantage lorsqu'on a à exploiter, comme chaleur sensible à transformer, de la chaleur perdue à basse température. Le procédé est particulièrement bien approprie pour transformer en energie mécanique de la chaleur perdue qui est offerte a un niveau de température inférieur à environ i50 C. D'autres buts et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui va suivre et donnee en regard des dessins annexés, sur lesquels: - la Fig. 1 est un schéma d'un système de Clausius-Rankine; - les Fig. 2 et 3 sont respectivement deux diagrammes représentant la quantité de chaleur en fonction de la température pour un pro cessus de Clausius-Rankine utilisant un agent auxiliaire à un composant et à deux composants respectivement. Suivant la Fig. 1, de l'eau à une température de 90,6"C pénètre par une conduite 1 dans un echangeur de chaleur 2 qu'elle quitte à une température de 54"C. L'échangeur de chaleur 2 fait partie d'un circuit dans lequel une turbine à détente 4, un condenseur 5 et une pompe 5 sont raccordés à l'échangeur de chaleur 2, dans cet ordre, dans le sens de la circulation de l'agent auxiliaire. L'eau circulant dans la conduite 1 se refroidit dans l'échangeur de chaleur 2 en échangeant sa chaleur avec l'agent auxiliaire. Dans cet exemple de réalisation, l'agent auxiliaire est composé de CFCl3 et de CF2Cl2. Cet agent auxiliaire composé s'échauffe dans l'échangeur de chaleur 2 pour passer d'un niveau à peu près égal à la température ambiante à un niveau de 80"C, par exemple, en se vaporisant. il est transmis à la turbine 4 a une température située au voisinage du point de rosée et est détendu de 9 bars à 3 bars. L'agent auxiliaire composé pénètre, à une température proche de son point de rosée, dans un condenseur 5 dans lequel il est refroidi pour être ramené à la température ambiante. La chaleur de condensation est évacuée par de l'eau de refroidissement qui, dans cette étape, s'échauffe, par exemple de-180C. L'agent auxiliaire con densé est à nouveau porté à une pression élevée (9 bars) et renvoyé à nouveau à l'échangeur de chaleur 2.A la différence des procédés antérieurs comportant une condensation isotherme et dans lesquels, avec une élévation de température de l'eau de refroidissement de seulement 6"C, un débit d'eau de refroidissement de 66 000 t/h serait nécessaire, le procédé suivant l'invention n'exige que 21 920 t/h d'eau de refroidissement, c'est-à-dire moins d'un tiers. Sur la Fig. 2, on a représenté schématiquement un diagramme Q - T d'un processus Clausius-Rankine. La courbe 8 represente la variation de la chaleur du fluide dont il s'agit de transformer la chaleur sensible en energie mécanique et 7a courbe 9 la variation de la quantite de chaleur contenue dans l'eau de refroidissement qui circule dans le condenseur 5. Les courbes 10 et 11 représentent respectivement les variations de la quantite de chaleur contenue dans 1 'agent auxiliaire compose lors du dégagement et de l'absorption de chaleur pour les températures constantes de condensation et de vaporisation.L'allure de ces profils de températures est caractérisee, d'une part, par de grandes différences de température sur le côté source de chaleur du processus de Clausius-Rankine et, d'autre part, par de faibles différences de température sur le côté puits de chaleur. Cette bonne adaptation des profils de température sur le coté puits de chaleur ne peut toutefois être atteinte qu'avec une plage étroite de temperature du refrigérant (6"C dans le present exemple de réalisation où de l'eau est utilise comme refrigérant). Ainsi qu'on l'a déjà indiqué, cette manière de procéder nécessite une grande quantité de réfrigérant par unité de temps. La Fig. 3 montre, dans un diagramme Q - T, les profils de température obtenus lors de la mise en oeuvre du procédé suivant l'inventionS tel que decrit en référence au présent exemple de réalisation. Le fluide dont il s'agit de transformer la chaleur en énergie thermique pénètre à une température de 90,60C (point a) dans l'échangeur de chaleur 2 et il est refroidi à 54"C (point b) par échange de chaleur avec l'agent auxiliaire composé (courbe 9).A la différence du procedé suivant la Fig. 2, le profil de température de l'agent auxiliaire composé qui, se trouvant sous une pression de 9 bars et s'échauffant pour passer d'une température approximativement égale à la température ambiante (point c) à environ 80"C et se vaporisant en même temps pendant l'échange de chaleur (points d et e) (courbe 7) est bien adapté au profil de température du fluide-puisque, pendant toute la durée de l'échange de chaleur, les différences de tempe rature sont faibles. Après la fin de l'échange de chaleur, l'agent auxiliaire composé est totalement vaporisé et possède une température d'environ 80"C (point e). L'agent auxiliaire composé est détendu à 3 bars (point f).Il est ensuite condensé conne indiqué par la courbe 13 et refroidi d'une température proche du point de rosée (point f) à la température ambiante (point c). Ce profil de température (courbe 13) est lui aussi bien adapté au profil correspondant de l'eau de refroidissement (courbe 12) qui reçoit la chaleur de condensation et la chaleur sensible de l'agent auxiliaire compose. On peut avantageusement accepter une fourchette de température beaucoup plus large sans que ceci entraîne une baisse du rendement. L'eau s'échauffe d'environ 18"C (points g et h) dans l'échangeur de chaleur 5. En resumé, on peut constater que, par le procédé suivant l'invention, on perd certes de ltexergie sur le côté puits de chaleur mais que cette perte est plus que compensée par le gain sur le côté source de chaleur et que la consommation de réfrigérant peut être considérablement reduite comparativement aux procédes traditionnels. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles a l'homme de l'art, sans que l'on ne s'écarte'de l'esprit de l'invention. REVENDI CATIONS 1.- Procédé de transformation de la chaleur sensible d'un fluide en énergie mécanique, dans lequel on sounet le fluide à un échange de chaleur avec un agent auxiliaire fluide circulant dans un circuit fermé, cet agent auxiliaire étant vaporisé, ensuite détendu, condensé, puis porté à une pression supérieure, procédé caractérisé en ce que l'agent auxiliaire précité est constitué par un mélange d'au moins deux composants. 2.- Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise comme agent auxiliaire un mélange de trichloromonofluorométhane et de dichlorodifluorométhane. 3.- Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le mélange est compos de 30 à 70 % en poids de trichloromonofluorométhane et de 70 à 30 % en poids de dichlorodifluorométhane. 4.- Application du procédé suivant l'une des revendications 1 a 3, à l'exploitation de chaleur perdue à basse température qui est disponible à un niveau de température inférieur à environ 150 C.