Brevet FR2575787A1 — publié le 19860711

L'excellent rendement électrique global des centra- les électriques thermiques classiques de forte puissance, ainsi que la tendance actuelle à augmenter encore la puissan- ce de ces centrales sont bien connus. Simultanément, et pour des applications spécifiques, en particulier dans les pays fortement industrialisés, il existe une tendance à construire de petites centrales ayant une puissance inférieure à 50 MW. Des centrales de ce type, utilisant des cycles thermodynami- ques classiques, utilisent généralement des énergies renouve- lables, des déchets urbains ou de la chaleur de récupération, et elles sont caractérisées par leur faible rendement. L'invention propose un nouveau cycle thermodynami- que, caractérisé par des rendements élevés à la charge nomi- nale et à charge partielle, une stabilité de fonctionnement élevée, une construction simple et un coût relativement fai- ble. Les principales applications de ce processus rési- dent dans le domaine des sources d'énergie ayant des tempé- ratures supérieures à 400 C, utilisant l'énergie solaire, des déchets urbains, la biomasse, ainsi que-la chaleur dégagée dans des installations industrielles. Ce processus convient également pour la récupération de chaleur à des températures variables et inférieures à 400 C, comme par exemple la cha- leur dégagée par des moteurs Diesel. Le processus est égale- ment utile pour des applications industrielles, par exemple dans des installations à énergie totale et pour le chauffage urbain collectif. Pour obtenir des rendements élevés en liaison avec le Cycle de Carnot, en fonctionnant avec des températures maximales élevées et des installations de faible puissance, ce que les cycles classiques ne permettent pas d'obtenir, on a recherché un cycle ayant les caractéristiques suivantes: 1. Une bonne adaptation de la courbe d'absorption de chaleur du cycle à la courbe de fourniture de chaleur de sources de chaleur externes, avec une température minimale élevée, de façon à maintenir à une valeur faible les pertes d'énergie par transmission de chaleur entre la source de chaleur externe et le cycle. 2. Une ou plusieurs détentes dans une turbine avec des conditions thermodynamiques optimales, afin de pouvoir utiliser des turbines simples (si possible à un seul étage) avec un rendement isentropique élevé, à la fois dans les conditions de charge nominale et de charge partielle. Dans ce but, il est nécessaire de travailler avec des fluides ayant une masse moléculaire élevée, avec des pressions maxi- males modérées et avec des rapports de pression faibles, pour permettre un niveau de réaction élevé et une détente sèche. 3. L'absence de vide dans l'installation, afin d'éliminer les pertes d'énergie qui y sont liées, et de pou- voir effectuer la condensation à la température minimale que permet le fluide de refroidissement, ou même avec des tempé- ratures de condensation variablesen fonction de l'époque de l'année. Il est évident qu'on ne peut pas réaliser un cycle ayant les caractéristiques précédentes en travaillant avec un seul fluide. Les études effectuées ont permis de déduire qu'en travaillant avec des températures maximales de l'ordre de 400 C (pour obtenir un rendement absolu élevé), il est nécessaire d'utiliser au moins trois cycles, employant cha- cun un seul fluide, couplés en cascade, pour atteindre les objectifs précités. Chacun des trois cycles travaillerait avec un fluide différent dont le point d'ébullition serait adapté à la plage de température affectée au cycle considéré. L'eau ne pourrait pas être l'un des fluides, du fait qu'en étant utilisée dans le cycle intermédiaire, elle pourrait remplir les première et troisième conditions ci-dessus, mais non la seconde, à cause de sa faible masse moléculaire. Il est évident que cette solution a l'inconvénient d'exiger une surface d'échangeur de chaleur supplémentaire pour la récupération de la chaleur (en particulier du fait que des fluides ayant une masse moléculaire élevée et une détente sèche impliquent la récupération d'une quantité considérable de chaleur à la sortie de la turbine), et de nécessiter trois cycles et trois turbines, avec la complexité de fonctionnement et l'incidence sur le coût qui en résultent. L'invention proposée ici consiste à remplacer les deux cycles à un seul fluide qui fonctionneraient dans des plages de température élevée et intermédiaire, par un seul cycle qui utilise un mélange de deux fluides non miscibles ayant des points d'ébullition notablement différents, tout en maintenant le cycle à un seul fluide qui fonctionne dans la plage de température basse. La raison pour laquelle on main- tient ce dernier cycle séparé consiste en ce qu'on ne dispose pas de fluides réfrigérants appropriés pour l'utilisation dans la plage de température basse, qui aient une masse molé- culaire élevée et qui puissent supporter des températures de l'ordre de 400 C. En comparaison avec le cycle ternaire décrit ci- dessus, ce cycle binaire offre un fonctionnement moins com- plexe, c'est-à-dire un fonctionnement similaire à celui d'un cycle classique ayant un seul fluide, du fait que le cycle secondaire du fluide réfrigérant peut être mis en oeuvre dans une unité classique de faibles dimensions, qui démarre, fonctionne et s'arrête automatiquement et indépendamment, en fonction de l'énergie qu'elle reçoit du cycle primaire. Le cycle primaire travaille avec le mélange de fluides non miscibles, d'une manière telle qu'à la pression et à la température maximales de fonctionnement, le mélange de vapeurs soit sec et saturé avec le composant ayant le point d'ébullition le plus élevé. Le fait de travailler avec un mélange de deux flui- des offre l'avantage suivant: bien que les fluides utilisés doivent avoir des points d'ébullition appropriés pour la plage de température que chacun d'eux couvre, il n'est pas nécessaire que la condition de masse moléculaire élevée soit remplie séparément par chacun des fluides, et il suffit qu'elle soit remplie-par le mélange qui se détend dans la turbine. De cette manière, on peut utiliser de l'eau pour le fluide ayant le point d'ébullition le plus bas dans le mé- lange, à condition que l'autre fluide ait une masse molécu- laire élevée. Ceci offre l'avantage de pouvoir utiliser dans les turbines des organes d'herméticité à vapeur, sans conta- miner le fluide actif. En comparaison avec les deux cycles indépendants (ceux que remplace le cycle considéré) dans le cycle ternai- re précité, le cycle exigeant le mélange de fluides offre également un autre avantage, qui est de réduire les masses de fluide en circulation et, ce qui est le plus important, de réduire de façon considérable la surface d'échange de chaleur nécessaire, non seulement parce que le cycle compor- te un plus petit nombre d'échanges de chaleur, mais égale- ment par le fait que ceux-ci ont lieu, en grande partie, au moyen de condensations et de vaporisations (eutectiques à température constante et non eutectiques à température va- riable), au lieu de se dérouler avec de la vapeur surchauf- fée. La figure 1 montre la configuration de base du cycle proposé. Cette configuration met en oeuvre les opéra- tions fondamentales suivantes: a) on détend à sec le mélange de vapeurs sèches dans le cycle primaire, saturé en fluide ayant le point d'ébullition le plus élevé, depuis la pression et la tempe- rature maximales de fonctionnement, jusqu'à la pression mi- nimale de fonctionnement du cycle primaire, pour produire un mélange de vapeurs détendu-; b) on refroidit le mélange de vapeurs détendu et on condense ensuite à des températures variables une partie du fluide ayant le point d'ébullition le plus élevé, la cha- leur dégagée étant récupérée par le cycle primaire; c) on sépare la partie du fluide ayant le point d'ébullition le plus élevé qui a été condensée en b), et on pompe le fluide vers un point de température équivalente dans l'opération e); d) on condense totalement le mélange de vapeurs restant après l'opération c), dans un échangeur de chaleur qui transfère de la chaleur du cycle primaire vers le cycle secondaire, tout d'abord à des températures variables jus- qu 'à ce que le mélange atteigne la composition eutectique, et ensuite à la température eutectique correspondant à la pression de fonctionnement minimale du cycle primaire; e) on récupère la chaleir cédée dans i'opération b), pour chauffer le mélange condensé dans l'opération d), et pour l'évaporer partiellement; f) on fait absorber de la chaleur par le mélange à deux phases obtenu à l'opération b), le mélange s'évapo- rant totalement jusqu'à l'obtention de la température ma- ximale de fonctionnement du cycle primaire, pour retourner à l'opération a); g) on détend à sec la vapeur du fluide réfrigé- rant du cycle secondaire, depuis la pression et la tempéra- ture maximales de fonctionnement jusqu'à la pression mini- male de fonctionnement de ce cycle; h) on condense totalement dans un condenseur fi- nal refroidi la vapeur qui s'échappe après la détente à l'opération g); i) on chauffe et on évapore le fluide réfrigérant dans l'échangeur de chaleur qui transfère de la chaleur à partir du cycle primaire, jusqu'à atteindre la température maximale de fonctionnement du cycle secondaire et à obtenir de la vapeur saturée sèche ou de la vapeur surchauffée, dans les conditions initiales de l'opération g). Le rapport de masse des deux fluides du cycle primaire à l'entrée de la turbine est fixé pour une pres- sion et une température maximales données. En fonction de ce rapport, le rapport entre la chaleur récupérée dans le cycle lui-même et la chaleur absorbée à partir d'une source de chaleur externe varie notablement. De cette manière, on peut adapter le-cycle à la courbe de température de la sour- ce de chaleur. La mise en oeuvre pratique de la récupération de chaleur et de l'absorption de chaleur à partir de la source de chaleur externe varie considérablement en fonction du rapport de masse qui est utilisé. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation particu- lier et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est un schéma du cycle de l'invention; La figure 2 est un schéma du cycle de l'invention utilisant de l'eau et de l'oxyde de diphényle; La figure 3 est un diagramme t- bH pour le cycle de la figure 2 avec une température maximale de 400 C. Dans l'exemple pratique suivant, le cycle primaire travaille avec un mélange d'eau et d'oxyde de diphényle et le cycle secondaire travaille avec du Freon R11. La figure 2 représente un mode de réalisation des- tiné à la récupération d'énergie à partir de sources ayant une température constante ou variable, dont la température minimale serait relativement élevée. Le cycle fait intervenir deux turbines (T-I et T-II), un équipement de chauffage externe, deux récupéra- teurs (R-I et R-II), un générateur de vapeur du type "bal- lon", un vaporiseur Rll, un condenseur, un séparateur de phases et trois pompes (P-I, P-II et P-III). Dans ce cas, les deux récupérateurs et le ballon accomplissent la récu- pération de chaleur du cycle primaire. Le processus se dé- roule de la manière suivante: Le mélange de liquides, oxyde de diphényle et eau (point 1), provenant du vaporiseur Rll, est pompé (P-I) jusqu'à la pression maximale du processus et est introduit (point 2) dans les tubes du récupérateur (R-II). Le mélange liquide chauffé (point 3) est ensuite introduit dans le corps du générateur de vapeur. Dans celui- ci, l'eau s'évapore en compagnie d'une faible proportion d'oxyde de diphényle, ce qui produit un mélange eutectique de vapeurs (point 4), à la température eutectique pour la pression maximale du processus. L'oxyde de diphényle liquide restant est extrait du fond du corps du ballon, dans lequel il s'accumule du fait de sa densité plus élevée, et il est dirigé vers le réservoir d'oxyde de diphényle (point 14). Avant d'entrer dans les tubes du récupérateur R-I (point 5), le mélange eutectique de vapeurs qui est produit dans le ballon (point 4) est mélangé avec l'oxyde de diphé- nyle liquide pompé par P-II, à la pression maximale du pro- cessus (point 18). Cet oxyde de diphényle liquide a été re- cueilli dans un réservoir à partir de divers points du cycle (14, 15, 16 et 17), comme on peut sur le voir sur la figure 2. Dans les tubes du récupérateur R-I, il se produit une évaporation non eutectique de l'oxyde de diphényle li- quide. Cette évaporation s'effectue à température variable, d'une manière telle qu'à chaque point de la transformation, la température soit la température de saturation de l'oxyde de diphényle pour la pression partielle de ce dernier dans le mélange non eutectique de vapeur d'oxyde de diphényle et de vapeur d'eau, qui accompagne l'oxyde de diphényle liquide dans les tubes. A la sortie des tubes du récupérateur R-I (point 6), il existe toujours une quantité importante d'oxy- de de diphényle liquide, en compagnie d'un mélange non eu- tectique de vapeur d'oxyde de diphényle et de vapeur d'eau. Cet écoulement, qui se présente en deux phases, passe ensuite vers l'équipement de chauffage externe dans lequel l'oxyde de diphényle liquide est évaporé, ici encore à température variable. A la sortie (point 7), tout l'oxyde de diphényle liquide a été évaporé, ce qui donne un mélange de vapeur d'oxyde de diphényle et de vapeur d'eau, qui est sec et saturé en oxyde de diphényle. Pour une température maximale prédéterminée, la pression maximale du cycle déter- mine les proportions de vapeur d'oxyde de diphényle et de vapeur d'eau au point 7, car du fait que le mélange est sa- turé en oxyde de diphényle, la pression partielle de ce der- nier doit être égale à la pression de saturation de l'oxyde de diphényle à la température maximale du cycle. Le mélange de vapeurs qui est produit dans l'équi- pement de chauffage externe entre dans la turbine (T-I) dans laquelle il se détend jusqu'à une pression appropriée pour l'étage de récupération de chaleur qui est placé à la suite. Le mélange se détend, en étant surchauffé, du fait de la forte tendance que présente le composant le plus abondant (oxyde de diphényle). La détente est donc complètement sèche. Le mélange de vapeurs surchauffé qui s'échappe de la turbine (point 8) passe vers le côté chaud des échangeurs de chaleur successifs de l'étage de récupération de chaleur, dont le côté froid a été décrit ci-dessus. Le mélange passe tout d'abord vers le corps de récupérateur R-I dans lequel il se refroidit jusqu'à ce qu'il atteigne le point de rosée du mélange à la pression existante. A partir de ce point, la condensation de l'oxyde de diphényle commence, à température variable, pour la même raison que dans le cas de l'évapora- tion dans ce récupérateur. A la sortie du récupérateur R-I, il existe de l'oxyde de diphényle liquide qui a été condensé et un mélan- ge de vapeurs restant, saturé en oxyde de diphényle. L'oxyde de diphényle liquide condensé (point 15) est évacué vers le réservoir d'oxyde de diphényle liquide. Le mélange de vapeurs (point 9) passe vers les tubes du générateur de vapeur. Dans les tubes du générateur de vapeur, l'oxyde de diphényle con- tinue à se condenser à des températures variables. A la sor- tie, un séparateur de phases collecte l'oxyde de diphényle liquide, qui est évacué vers le réservoir d'oxyde de diphé- nyle liquide (point 16). Le mélange de vapeurs restant (point 11), saturé en oxyde de diphényle, est dirigé vers le corps R-II, dans lequel une partie de l'oxyde de diphényle se con- dense, également à température variable, pour être extraite à la sortie du récupérateur R-II (point 17) et dirigée vers le réservoir d'oxyde de diphényle liquide. Le mélange de vapeurs restant (point 12), saturé en oxyde de diphényle, est dirigé vers le vaporiseur de fluide réfrigérant (Rll). Dans le vaporiseur Rll, le mélange de vapeurs se condense de la manière suivante: premièrement, une partie de l'oxyde de diphényle se condense, jusqu'à ce que le mé- lange de vapeurs atteigne sa composition eutectique, à une température pratiquement égale à la température de saturation de l'eau à la pression donnée. Ensuite, l'oxyde de diphényle et l'eau se condensent simultanément, jusqu'à ce qu'ils don- nent le mélange liquide envisagé au début de la description du cycle (point 1). Dans le cycle secondaire, le fluide réfrigérant, évaporé dans la zone du corps-du vaporiseur Rll (point 21), est dirigé vers la turbine T-II, pour donner lieu à une dé- tente sèche, avec surchauffage, jusqu'à la pression de satu- ration pour la température de condensation fixée (point 22). Cette pression est égale ou légèrement supérieure à la pres- sion atmosphérique. A partir de là, le fluide se dirige vers le condenseur final (point 19) pour se refroidir et se con- denser, et il est finalement pompé vers le vaporiseur par P-III, à la pression maximale de ce cycle (point 20). Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées au procédé décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé de production d'énergie mécanique utili- sant un cycle binaire qui comprend un cycle primaire et un cycle secondaire, caractérisé en ce qu'on utilise dans le cy- cle secondaire un fluide réfrigérant et on utilise dans le cycle primaire un mélange de deux fluides pratiquement non miscibles ayant des points d'ébullition différents, de façon qu'à la pression et à la température maximales de fonctionne- ment, un mélange de vapeurs formé dans le cycle primaire soit saturé en fluide ayant le point d'ébullition le plus élevé, et à une pression minimale de fonctionnement il se produise une condensation eutectique, à une température capable de fournir de la chaleur au fluide réfrigérant du cycle secon- daire. 2. Procédé de production d'énergie mécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les opérations suivantes: a) on détend à sec le mélange de vapeurs sèches dans le cycle primaire, saturé en fluide ayant le point d'ébullition le plus élevé, depuis la pression et la tempéra- ture maximales de fonctionnement, jusqu'à la pression minima- le de fonctionnement du cycle primaire, pour produire un mé- lange de vapeurs détendu; b) on refroidit le mélange de vapeurs détendu et on condense ensuite à des températures variables une partie du fluide ayant le point d'ébullition le plus élevé, la cha- leur dégagée étant récupérée par le cycle primaire; c) on sépare la partie du fluide ayant le point d'ébullition le plus élevé qui a été condensée en b), et on pompe le fluide vers un point de température équivalente dans l'opération e); d) on condense totalement le mélange de vapeurs restant après l'opération c), dans un échangeur de chaleur (Rll) qui transfère de la chaleur du cycle primaire vers le cycle secondaire, tout d'abord à des températures variables il jusqu'à ce que le mélange atteigne la composition eutectique, et ensuite à la température eutectique correspondant à la pression de fonctionnement minimale du cycle primaire; e) on récupère la chaleur cédée dans l'opération b), pour chauffer le mélange condensé dans l'opération d), et pour l'évaporer partiellement; f) on fait absorber de la chaleur par le mélange à deux phases obtenu à l'opération b), le mélange s'évaporant totalement jusqu'à l'obtention de la température maximale de fonctionnement du cycle primaire, pour retourner à l'opéra- tion a); g) on détend à sec la vapeur du fluide réfrigérant du cycle secondaire, depuis la pression et la température maximales de fonctionnement jusqu'à la pression minimale de fonctionnement de ce cycle; h) on condense totalement dans un condenseur final refroidi la vapeur qui s'échappe après la détente à l'opéra- tion g); i) on chauffe et on évapore le fluide réfrigérant dans l'échangeur de chaleur (Rll) qui transfère de la cha- leur à partir du cycle primaire, jusqu'à atteindre la tempé- rature maximale de fonctionnement du cycle secondaire et à obtenir de la vapeur saturée sèche ou de la vapeur surchauf- fée, dans les conditions initiales de l'opération g). 3. Procédé_de production d'énergie mécanique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la récupéra- tion de chaleur du cycle primaire s'effectue en trois sous- étages qui se caractérisent par le fluide qui agit du côté froid: dans le premier sous-étage (R-II)-, c'est-à-dire ce- lui ayant la température la plus basse, on chauffe le mé- lange en phase liquide; dans le second sous-étage, la to- talité du fluide ayant le point d'ébullition le plus bas, en mélange eutectique avec une partie du fluide ayant le point d'ébullition le plus élevé, s'évapore à la température eutec- tique; et dans le troisième sous-étage (R-I), une partie du fluide restant ayant le point d'ébullition le plus élevé s'évapore de façon non eutectique à température variable. 4. Procédé de production d'énergie mécanique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les parties du fluide de point d'ébullition le plus élevé qui sont conden- sées du côté chaud de chaque sous-étage de récupération du cycle primaire, sont séparées et pompées ultérieurement vers un ou plusieurs points appropriés du côté froid des or- ganes de récupération de chaleur, pouvant correspondre à l'entrée, à la sortie ou à un point intermédiaire quelconque entre des sous-étages. 5. Procédé de production d'énergie mécanique selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'évaporation dans le second sous-étage de récupération de chaleur du cycle primaire a lieu dans le corps d'un échangeur de chaleur (du type "ballon" ou autre), l'excédent de fluide ayant le point d'ébullition le plus élevé étant séparé dans la partie infé- rieure. 6. Procédé de production d'énergie mécanique selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'évaporation du second étage n'est pas eutectique, et le seul fluide qui s'évapore est le fluide ayant le point d'ébullition le plus bas, séparé précédemment en phase liquide de l'autre fluide. 7. Procédé de production d'énergie mécanique selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'évaporation non eutectique du fluide ayant le point d'ébullition le plus élevé du cycle primaire, dans le troisième sous-étage, ne se produit pas directement dans un échangeur de chaleur, mais au moyen d'un mélange du fluide ayant le point d'ébullition le plus élevé, en phase liquide, chauffé préalablement dans le troisième sousétage, soit avec le mélange de vapeurs eutectique produit dans le second sous-étage, soit avec la vapeur saturée du fluide ayant le point d'ébullition le plus bas, produite dans le second sous-étage. 8. Procédé de production d'énergie mécanique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la vapeur réchauffée qui s'échappe après la détente en g) dans le cycle secondaire, n'est pas dirigée directement vers le condenseur final, mais est utilisée dans un échangeur de chaleur pour chauffer le condensat provenant du condenseur final, avant que ce conden- sat n'absorbe la chaleur provenant du cycle primaire. 9. Procédé de production d'énergie mécanique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le troisième sous- étage de récupération de chaleur (R-I) du cycle primaire est supprimé. 10. Procédé de production d'énergie-mécanique selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'évaporation du fluide ayant le point d'ébullition le plus bas ou l'évapora- tion eutectique du mélange dans le second sous-étage du cycle primaire n'est pas complète, et une partie de celle-ci est accomplie par une source de chaleur externe. 11. Procédé de production d'énergie mécanique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le chauffage du mélange liquide du cycle primaire dans le premier sous-étage (R-II) n'est pas complet, et une partie de la totalité de ce chauffage est accomplie par une source de chaleur externe. 12. Procédé de production d'énergie mécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cycle secondaire du fluide réfrigérant absorbe de la chaleur provenant non seulement du cycle primaire, mais également de la source de chaleur externe. 13. Procédé de production d'énergie mécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cycle primaire fonctionne avec un mélange d'eau (en tant que fluide ayant le point d'ébullition le plus bas), et d'un autre fluide pratiquement non miscible avec l'eau (qui peut être du di- phényle, de l'oxyde de diphényle ou un mélange des deux, dans une proportion telle qu'ils soient totalement miscibles, de façon que ce dernier mélange se comporte pratiquement comme un seul fluide, du fait que les deux fluides sont to- talement miscibles et que leurs courbes de saturation sont très proches). 14. Procédé de production d'énergie mécanique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le cycle secondaire ne fonctionne pas avec un fluide réfrigérant mais avec de l'eau. 15. Procédé de production d'énergie mécanique selon l'une quelconque des revendications 13 ou 14, caractérisé en ce que, au lieu de produire de la vapeur d'eau pure dans le cycle secondaire, on utilise le mélange de vapeurs restant après l'opération c), constitué en majeure partie par de la vapeur d'eau, pour effectuer une détente directe, produisant du travail dans une turbine ou un équipement similaire, et le mélange d'échappement est dirigé vers le condenseur final.