Brevet FR2557921A1 — publié le 19850712

255792'1 "Dispositif de récupération de chaleur perdue utilisant un détendeur à vis à injection d'huile" L'invention concerne un dispositif de récu- pération de chaleur perdue utilisant un détendeur à vis de type à injection d'huile, et pouvant s'utiliser pour récu- pérer la chaleur perdue par les plantes. On connaît déjà un dispositif de récupération de chaleur destiné à récupérer la chaleur de l'eau et autres produits rejetés par les plantes en se basant sur un cycle de Rankine utilisant une petite différence de température. Ce dispositif comprend un évaporateur utilisant l'eau chaude perdue ou autre, comme source de chaleur permettant de chauffer et d'évaporer un fluide ou agent de fonctionne- ment constitué par exemple par du fréon, une turbine entraînëe en rotation par la vapeur de freon sortant de l'évaporateur, un condenseur destiné à refroidir et à con- denser la vapeur de freon déchargée par la turbine, et une pompe d'accélération de fréon destinée à faire circuler ce freon dans le systâme. L'arbre de sortie de la turbine est relié à une charge telle qu'un générateur. L'inconvénient de ce dispositif est que, du fait de la faible température de l'eau chaude perdue ou autre, constituant la source de chaleur, on ne peut chauffer suffisamment l'agent de fonctionnement ou atteindre une grande différence de température, de sorte que la récupération de puissance ne peut se faire complètement. Pour remédier à cet inconvénient, on peut introduire la vapeur de freon sortant de l'évaporateur, dans un échangeur de chaleur supplémentaire o elle est surchauffée avant d'être appliquée à la turbine, ce qui pourrait permettre d'espérer une augmentation de rythme de récupération de puissance. Dans ce cas cependant, comme le fréon pénètre a l'état de vapeur dans l'échangeur de chaleur supplémentaire, ce dernier, destiné à surchauffer la vapeur de fréon, doit nécessairement être de grandes dimensions. Par suite, un grand espace est nécessaire entre l'évaporateur et la turbine de cet échangeur de chaleur, ce qui augmente la taille totale du dispositif et constitue un nouvel inconvénient. L'invention concerne un dispositif de récupé- ration de chaleur fonctionnant sur le principe consistant à utiliser une source de chaleur à basse température telle que l'eau chaude rejetée par des plantes, pour évaporer un fluide ou agent de fonctionnement, et à récupérer de la puissance au moyen de ce fluide ou agent de fonctionnement, l'invention étant destinée à augmenter le rythme de récupération de chaleur en surchauffant la vapeur du fluide de fonctionnement, sans que cela entraîne une augmentation de la taille du dispositif. A cet effet, l'invention concerne un dispo- sitif de récupération de chaleur comprenant un détendeur à vis de type à injection d'huile, dont l'arbre de sortie est relié à une charge, un évaporteur utilisant la chaleur perdue comme source de chaleur pour évaporer un fluide ou agent de fonctionnement de manière à produire de la vapeur de fluide de fonctionnement destinée à être amenée au détendeur, un condensateur destiné à condenser la vapeur de fluide de fonctionnement sortant du détendeur, une pompe d'accélération de fluide de fonctionnement destinée à faire circuler ce fluide de fonctionnement dans un système comprenant le condensateur, l'évaporateur et le détendeur, une pompe d'accélération d'huile destinée a amener l'huile au détendeur, et un dispositif de chauffage destiné a chauffer l'huile à amener au dêtendeur, à une température plus élvée que celle de la vapeur de fluide de fonctionnement, dispositif caractérisé en ce que la vapeur de fluide de fonctionnement et l'huile chauffée à amener au détendeur, sont amenées réciproquement en contact direct dans l'orifice d'aspiration du détendeur. Cela permet ainsi de surchauffer la vapeur du fluide de fonctionnement. L'invention sera décrite en détail en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 est un schéma par blocs d'un dispositif de récupération de chaleur selon une forme de réalisation de l'invention; - les figures 2 à 4 sont des vues représen- tant respectivement en coupe longitudinale, en coupe transversale et en perspective, un détendeur à vis de type à injection d'huile; - les figures 5 et 6 sont des diagrammes de P en fonction de H relatifs au fluide ou agent de fonction- nement, la pression P étant en ordonnée et l'enthalpie H étant en abscisse.; et - la figure 7 est un schéma par blocs d'un dispositif de récupération de chaleur selon une autre forme de réalisation de l'invention. On décrira maintenant les formes de réalisa- tion de l'invention représentées sur les dessins ci-dessus. En se référant tout d'abord à la figure 1, le dispositif de récupération de chaleur utilise un détendeur à vis de type à injection d'huile 11 dont l'arbre de sortie est relié à une charge telle que par exemple un générateur 12. Un fluide ou agent de fonctionnement tel que du fréon, destiné à alimenter le détendeur 11, est mis en 255792 1 circulation par une pompe d'accélération de fluide 16, dans un système comprenant un évaporateur 13 destiné A chauffer - et à évaporer le fluide de fonctionnement en utilisant, comme source de chaleur, de l'eau chaude perdue ou autre, un séparateur d'huile 14 destiné à séparer le fluide de fonctionnement de l'huile sortant du détendeur 11, et un condenseur 15 destiné condenser la vapeur de fluide de fonctionnement sortant du séparateur d'huile 14 en la refroidissant par de l'eau de refroidissement. Le détendeur 11 est également alimenté en huile servant de lubrifiant et d'agent d'étanchéité, cette huile servant également à surchauffer la vapeur d'agent de fonctionnement. L'huile est mise en circumation par une pompe d'accélération d'huile 18 montée dans un système comprenant un dispositif de chauffage 17 destiné à chauffer l'huile à une température plus élevée que celle de la vapeur de fluide de fonctionnement, le détendeur 11, et le sépara- teur d'huile 14. De plus la source de chaleur du dispositif de chauffage 17 peut être commune avec celle de l'évapora- teur 13, comme illustré ici, mais peut également être une source de chaleur séparée. Le détendeur 11, représenté sur les figures 2 à 4, comprend un carter 21 muni d'un orifice d'aspiration 22 et d'un orifice d'échappement 23 du fluide ou agent de fonctionnement, et une paire de rotors male et femelle 24 et 25 montés parallèlement en rotation dans le carter. Les rotors 24 et 25 sont mutuellement en prise de manière à former entre eux un espace en forme de dent 26. La configuration des rotors 24 et 25 est telle que le volume de l'espace en forme de dent 26 augmente lorsqu'il passe du côté de l'orifice d'aspiration au côté de l'orifice d'échappement.Les rotors 24 et 25 sont entourés par le carter 21, et les orifices d'aspiration et d'échappement 22 et 23 débouchent vers les surfaces d'extrémité des rotors 24 et 25. Dans une position arbitraire de l'orifice d'aspiration 22 se trouve une buse 19 (figure 1) destinée à injecter dans le carter 21 l'huile sortant du dispositif de chauffage 17 et ayant été chauffée à une température plus élevée que celle de la vapeur de fluide de fonction- nement. Cette huile lubrifie les rotors mâle et femelle 24 et 25, et assure l'étanchéité de ces deux pièces, comme indiqué ci-dessus, tout en venant en contact direct avec la vapeur de fluide de fonctionnement amenée dans le carter 21 par l'orifice d'aspiration 22, de manière à surchauffer ainsi la vapeur de fluide de fonctionnement. On décrira maintenant le rôle du dispositif de récupération de chaleur perdue de la construction ci- dessus. La vapeur de fluide de fonctionnement amenée de l'évaporateur 11 à l'orifice d'aspiration 22, passe dans l'espace en forme de dent 26 formé entre les rotors 24, 25, et avance vers l'orifice d'échappement 23 tout en se dilatant, ce qui fait tourner les rotors 24 et 25. Cette puissance est transmise à la charge 12, constituée par exemple par un générateur, par l'intermédiaire de 1l'arbre de sortie du détendeur 11. De plus, l'huile chauffée par le dispositif de chauffage 17 à unre température plus élevée que celle de la vapeur de fluide de fonctionnement, est injectée par la buse 18 montée dans le carter 21 du détendeur 11. Ainsi, la vapeur de fluide de fonctionnement contenue dans le détendeur il, vMient en contact avec l'huile à température plus élevée, ce qui permet de surchauffer cette vapeur. Cela sera maintenant décrit en se référant au diagramme P-H de la figure 5. Sur cette figure, les référe,ces a et a' désignent les états du fluide de fonctionnement à l'orifice d'aspiration de fluide de fonctionnement du détendeur 11 (c'est-à-dire à la sortie de l'évaporateur 13); les références b et b' désignent les états du fluide de fonctionnement à l'orifice de sortie de fluide de fonction- nement Il (c'est-à-dire-à l'entrée du condenseur 15); c désigne l'état du fluide de fonctionnement & la sortie du condenseur 15; et d désigne l'état du fluide de fonction- nement à l'entrée de l'évaporateur 13. Le cycle thermody- namique associé au cas o l'on ne surchauffe pas la vapeur de fluide de fonctionnement est a- -b-c d, et le rythme de récupération de puissance est 4 H = Ha - 4b' D'autre part, le cycle thermodynamique associé au cas o l'on surchauffe le fluide de fonctionne- ment, c'est-à-dire o l'on utilise le cycle de surchauffe, est a' b'--->c--> d, et le rythme de récupération de puissance est A H' = Ha' - Hb'. Ainsi, la relation A H'/Ah >1 est obtenue. Dans ces conditions, lorsque la température de la vapeur de fluide de fonctionnement est de 60 C à l'entrée du détendeur 11 et de 30 C à la sortie de celui-ci, si la vapeur de fluide de fonctionnement est surchauffée de 20 C par injection d'huile, A H'/ H = 1,1 et l'on obtient donc ainsi une augmentation d'environ 10% du rythme de récupération de puissance. Les figures 6 et 7 représentent une autre forme de réalisation dans laquelle la vapeur de fluide de fonctionnement est réchauffée en plusieurs fois, c'est-à- dire par des étapes multiples, par injection d'huile, lorsqu'elle passe de l'orifice d'aspiration 22 à l'orifice d'échappement 23 du détendeur 11. Pour cela, les buses 19' (figure 7) sont disposées dans des positions convenables à l'intérieur du carter 21, de façon que la vapeur de fluide de fonctionnement puisse être soumise à une injection d'huile en plusieurs étapes (trois étapes sur les figures 6 et 7) pendant son passage de l'orifice d'aspiration 22 à l'orifice d'échappement 23 du détendeur 11. Dans le cas o le réchauffage s'effectue en trois fois par injection d'huile passant du dispositif de chauffage 17 à la vapeur de fluide de fonctionnement, dans le détendeur 11, le travail de détente effectué par la vapeur de fluide de fonctionnement s'exprime par fi Hi. En outre, plus le gradient des lignes iso- _ entropiques S1 à S4 est doux, plus la pression diminue; ainsi, en injectant l'huile en plusieurs étapes, non seulement au voisinage de l'orifice d'aspiration 22 du détendeur 11, mais également quelque part ailleurs dans le chemin montant vers l'orifice d'échappement 23, on augmente le rythme de récupération de puissance. La vapeur de fluide de fonctionnement et l'huile sont évacuées par l'orifice d'échappement 23 du détendeur 11, et pénètrent dans le séparateur d'huile 14. La vapeur de fluide de fonctionnement est séparée de l'huile par le séparateur d'huile 14, et va vers le condenseur 15. Le fluide de fonctionnement condensé par le condenseur 15, est amené dans l'évaporateur 13 par la pompe d'accélération de fluide de fonctionnement 16. D'autre part, l'huile séparée du fluide de fonctionnement par le séparateur d'hui- le, est de nouveau amenée à la buse 19 ou aux buses 19' du détendeur 11 par la pompe d'accélération d'huile 18. Comme décrit ci-dessus, lorsque, selon l'invention, le fluide de fonctionnement a été évaporé par l'évaporateur, ce fluide est amené au détendeur, tandis que l'huile d'alimentation du détendeur, après avoir été chauffée à une température plus élevée que celle de la vapeur de fluide de fonctionnement, est également amenée au détendeur, ce qui permet d'amener la vapeur de fluide de fonctionnement en contact direct avec l'hui-le de manière a surchauffer cette vapeur; on peut ainsi augmenter le rythme de récupé- ration de puissance par rapport au cas d'un dispositif classique dans lequel la vapeur de fluide de fonctionnement est amenée directement. De plus, si le fluide de fonctionnement est surchauffé en amenant de l'huile liquide au détendeur, on peut de cette manière augmenter le rythme de récupération de puissance sans augmenter la taille du dispositif de récupération de chaleur, car on peut chauffer l'huile par un dispositif de chauffage de petites dimensions. Enfin, en effectuant le réchauffage de la vapeur de fluide de fonctionnement par injection, en plusieurs étapes, d'huile à haute température, en particu- lier au voisinage de l'orifice d'échappement du détendeur, on augmente le rendement thermique. Par suite, on peut effectuer avec une grande efficacité la récupération de chaleur perdue, même à des températures relativement basses. R E V E N D I C A T IONS 1") Dispositif de récupération de chaleur comprenant un détendeur à vis de type à injection d'huile (11), dont l'arbre de sortie est relié à une charge (12), un évaporateur (13) utilisant la chaleur perdue comme source de chaleur pour évaporer un fluide ou agent de fonc- tionnement de manière à produire de la vapeur de fluide de fonctionnement destinée à être amenée au détendeur (11), un condenseur (15) destiné à condenser la vapeur de fluide de fonctionnement sortant du détendeur (11), une pompe d'accélération de fluide de fonctionnement (16) destinée à faire circuler ce fluide de fonctionnement dans un système comprenant le condenseur (15), l'évaporateur (13) et le détendeur (11), une pompe d'accélération d'huile (18) destinée à amener l'huile au détendeur (11), et un dispo- sitif de chauffage (17) destiné à chauffer l'huile à amener au détendeur (11), à une température plus élevée que celle de la vapeur de fluide de fonctionnement, dispositif caractérisé en ce que la vapeur de fluide de fonctionnement et l'huile chauffée à amener au détendeur (11), sont amenées réciproquement en contact direct dans l'orifice d'aspiration (22) du détendeur (11). 2 ) Dispositif de récupération de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'huile chauffée est injectée de façon que le fluide de fonctionne- ment et l'huile soient amenées réciproquement en contact direct par une opération en plusieurs étapes pendant que la vapeur de fluide de fonctionnement passe de l'orifice d'aspiration (22) à l'orifice d'échappement (23) du déten- deur (11).