Brevet FR2950958A1 — publié le 20110408

Description BUT DU SYSTEME : Ce procédé permet de récupérer une partie de l'énergie perdue dans un condenseur vapeur grâce à un cycle frigorifique utilisé en mode « pompe à chaleur », puis de réintroduire cette énergie sous forme de réchauffage de l'eau du circuit vapeur en amont de la chaudière. Pour l'instant, l'énergie récupérée dans le condenseur vapeur n'est pas exploitée du fait de sa 10 faible température de transfert (environ 30°C). Mon système permet de récupérer une partie de cette énergie et de lui augmenter sa température. Elle est alors exploitable pour réchauffer l'eau en entrée de la chaudière (du même cycle vapeur). Cette récupération d'énergie se traduit par une augmentation du rendement global de l'installation vapeur. 15 Schéma de principe du procédé faisant l'objet du brevet : voir figure n°1 I : présentation du procédé 1° Les bases du système Mon système de récupération se base sur 2 cycles de CARNOT : 25 • le cycle frigo, et plus précisément sur le cycle de la pompe à chaleur. • le cycle vapeur avec ou sans surchauffe. A : Le cycle frigo : voir figure n° 2 30 Ce cycle comprend : un condenseur : c'est la source chaude. Un détendeur : il « récupère » du travail. 35 - Un évaporateur : c'est la source froide. - Un compresseur : il fournit du travail. 40 Représentation du cycle : voir figure n° 3 Sur un diagramme en Log (p) / H cela donne : voir figure n° 4 45 La seule partie qui consomme de l'énergie est le compresseur, mais ce n'est pas une source énergétique du système : celles-ci sont le condenseur et l'évaporateur. Car une source d'énergie est, selon les principes de la thermodynamique : « un élément qui transmet de la chaleur à un fluide qui est en changement d'état. Or dans l'évaporateur, le fluide 20 frigorigène est en ébullition du fait qu'il absorbe de l'énergie, celle-ci fournie par le fluide qui est 50 de l'autre coté de la paroi de l'évaporateur. La deuxième source est le condenseur : il transmet l'énergie contenue dans le fluide frigo lors de sa condensation, au fluide extérieur. Ces deux échanges de chaleurs s'effectuent à pression constante car il y a changement d'état du fluide frigorigène. 55 On remarque que dans le cas d'une installation utilisant un gaz frigorigène en « pompe à chaleur », le compresseur transmet de l'énergie au cycle qui est ensuite exploitable dans le condenseur. En clair, toute l'énergie (électrique) fournie au compresseur pour faire circuler le fluide se récupère dans le condenseur. Il y a donc un cumul d'énergie. 60 B : Le cycle vapeur : voir figure n°5 Le cycle de la vapeur comprend : un condenseur : c'est la source froide du cycle 65 une pompe : c'est une machine fournissant du travail au cycle - une chaudière : c'est la source chaude une turbine : c'est la machine qui récupère du travail dans le cycle. Sur un diagramme de Molier, en H S (enthalpie/entropie), pour un cycle de Hirn (avec 70 surchauffe) cela donne : voir figure n° 6 Sur un diagramme de Molier, en H S (enthalpie/entropie), pour un cycle de Rankine (sans surchauffe) cela donne : voir figure n° 7 75 Sur les figures n° 6 et n°7, l'ordonnée (enthalpie) représente les quantités d'Energie échangées dans le cycle. On peut remarquer qu'une bonne partie de celle-ci est utilisée dans la turbine pour fournir du travail récupérable sous forme d'électricité (dans un alternateur), mais on peut aussi remarquer que tout le reste est « perdu » dans le condenseur. 80 Remarque sur l'utilité du condenseur Le condenseur sert essentiellement à évacuer l'entropie gagnée dans la chaudière. La définition de l'entropie : « grandeur thermodynamique qui caractérise l'état de désordre d'un système » 85 On peut l'assimiler comme une forme de dégénérescence de l'Energie. En effet lorsqu'un système gagne de l'énergie, cette énergie quitte le système émetteur sous une forme et elle se détériore lors du changement de système. En effet, dans la formule de l'entropie : S=dQ/T On remarque qu'il y a gain d'entropie lorsqu'il y a gain de chaleur, et donc perte d'entropie lorsqu'il y a perte de chaleur. 90 Donc le condenseur fonctionne tels une « pompe » à entropie pour la vapeur, transmettant celle- ci au système extérieur. 95 C : La combinaison des deux : l'objet du brevet : En combinant les deux cycles, on récupère de l'énergie au condenseur vapeur grâce à un cycle frigorifique. Cette même énergie est alors redistribuée au cycle vapeur sous forme de réchauffage de l'eau en amont de la chaudière : voir figure n°1. 100 Il va de soit que le cycle frigo ne peut pas restituer à lui tout seul toute l'énergie nécessaire pour la vaporisation de l'eau dans la chaudière, il faut toujours une source énergétique extérieure. Mais ce système permet toute fois de récupérer l'énergie perdue dans la condensation du cycle 105 de la vapeur. En effet, celle-ci est restituée au cycle de la vapeur sous forme de réchauffage de l'eau avant sa vaporisation. 110 2° : Quelques notions de thermodynamique Les formules les plus utilisées dans ce principe sont : 115 - H=Cp*AT Explication de la formule : H représente l'enthalpie:c'est une unité permettant de « mesurer » l'énergie transmise, l'enthalpie est la « réserve d'énergie » d'un système. H s'exprime en Joules (J) par Kilogrammes(Kg). Cp est l'énergie massique du fluide qui s'exprime en Joules par Kilogramme par Kelvin(K) 120 Dans le cas de l'eau, Cp vaut 4 185 J / (Kg*K) Par définition, l'enthalpie d'un système représente la somme de l'énergie interne (U) et du produit pression-volume de ce système (PV) : H = U + PV - P=Qm*AH 125 Explication de la formule : P représente la puissance énergétique fournit au système par un débit Qm de produit qui transmet un AH unitaire. AH représente la quantité d'énergie fournie au système par kilogrammes de fluide (frigo ou vapeur). Qm s'exprime en Kilogrammes par Secondes(s). P s'exprime en Watt (W) qui sont des Joules par Secondes. 130 II :exemple d'utilisation sous cycle de Hirn Ce cycle est celui utilisé dans les systèmes de propulsions sur les navires équipés d'installations vapeur. 1 : Le cycle frigorifique La détermination du gaz Nous allons étudier 3 gaz utilisés dans l'industrie et choisir celui qui à le meilleur rendement. 145 Mon étude porte sur les 3 gaz frigorigènes: le 407c, le R22 et le 134a. Nous allons les étudier pour un différentiel de température de 50°C 135 140 4 Gaz 134a 150 Voir figure n°8 Bilan énergétique : = 153 Kj / Kg • évaporateur : AH = 378 ù 225 155 • compresseur : AH =417 ù 378 = 39 Kj / Kg • condenseur : AH = 417 ù 225 = 192 Kj / Kg Gaz 407c 160 Bilan énergétique : Voir figure n°9 = 181 Kj / Kg 165 • évaporateur : AH = 403 ù 222 • compresseur : AH = 440 ù 403 = 37 Kj / Kg • condenseur : AH = 440 ù 222 = 218 Kj / Kg 170 Gaz R22 Bilan énergétique : Voir figure n°10 175 • évaporateur : AH = 390 ù 217 = 173 Kj / Kg • compresseur : AH = 430 ù 390 = 40 Kj / Kg • condenseur : AH = 430 ù 217 = 213 Kj / Kg 180 BILAN • az éva *orateur Coefficient corn • resseur Coefficient condenseur d'efficacité d'efficacité mode froid mode chauffa • e 134a 153 3,923 39 4,923 192 407c 181 4,892 37 5,892 218 22 173 4,325 40 5,325 213 185 le gaz utilisé : R 407c Evaporateur : AH = 181 Kj / Kg Compresseur : AH = 37 Kj / Kg Condenseur : AH = 218 Kj / Kg 2 : le circuit vapeur : voir figure 11 Les valeurs suivantes sont obtenues d'après le diagramme de Molier. - en«A»: les caractéristiques de l'eau sont : 0,05 b et 30°c 200 l'eau possède une enthalpie de :H = Cp * T Cp est la chaleur massique de l'eau : 4,185 KJ / (Kg*K) T est la température initiale de l'eau (en sortie de condenseur) : 30 °C Donc H(A) = 125,6 KJ / (Kg) 205 - entre « A » et B » : mise en pression de l'eau et réchauffage de l'eau, c'est une évolution isochore. - en«B»: les caractéristiques de l'eau sont : 60b et 285°c 210 l'eau possède un H = Cp * AT donc : H = 4,185 * ( 285 û 30 ) H = 1067,2 KJ / (Kg) - entre « B » et « C » : vaporisation de l'eau. Cette évolution se fait à pression constante 215 (évolution isobare) car il y a un changement d'état de l'eau qui passe de l'état liquide à l'état gaz. La pression est une fonction de la température lors de cette évolution. - en«C»: les caractéristiques de la vapeur sont : 60b et 285°c 220 la vapeur possède un H = 2785 KJ / (Kg) - entre « C » et « D » : surchauffe de la vapeur. Celle-ci passe de vapeur saturée à vapeur surchauffée. 225 - en « D » : les caractéristiques de la vapeur sont : 60b et 500°c la vapeur possède un H= 3425 KJ / (Kg) - entre « D » et « E » : détente isentropique (sans perte d'énergie) dans la turbine. C'est la partie 230 productrice d'énergie. - en« E»: les caractéristiques de la vapeur sont : 0,05b et 30°c la vapeur possède un H = 2100 KJ / (Kg) 190 195 235 récapitulatif énergétique : - La chaudière fournit : H= 3425ù 125,6 Donc H= 3299,4 KJ / (Kg) - La turbine produit : H = 3425 - 2100 Donc H = 1325 KJ / (Kg) - Le condenseur « perd » : H = 2100 ù 125,6 Donc H = 1974,4 KJ / (Kg) Le rendement de la chaudière actuelle est alors de : n = (1325 / 3299,4) * 100 Cela fait 40,1 % !!! Puissances : Si la turbine fournit 1 GW d'énergie, Le débit d'eau / vapeur est de : 255 P=Qm*AH Donc Qm=P/AH Qm=754,7 Kg/S Le condenseur perd une puissance de : 1,49 GW (disponible pour la frigo...) 3 : étude quantitative le gaz utilisé : R 407c Evaporateur : AH = 181 Kj / Kg Compresseur : AH = 37 Kj / Kg Condenseur : AH = 218 Kj / Kg 270 Dans la chaudière, le AH « brulé » pour le réchauffage de l'eau entre 30°C et 80°C est de : AH=(80ù30) * 4,185 275 AH = 209,25 KJ / Kg C'est l'énergie que je vais tenter d'apporter au système grâce aux cycles frigorifiques. Donc la puissance de réchauffage est de : P = 209,25 * 754,7 P = 157 921 KW 280 Nous disposons de 1,49 GW au condenseur vapeur et nous avons besoin de 157 921 KW dans la chaudière vapeur pour le réchauffage de l'eau entre 30°C et 80°C. 285 Donc nous avons besoin d'une puissance de 157 921 KW au condenseur du cycle frigo 240 245 250 260 265 La puissance nécessaire au condenseur est de : 157 921 KW Le débit de fréon est de : Qm = 724,4 Kg / S ( 157 921 / 218 ) La puissance récupérée dans l'évaporateur est de : P = 131 116 KW ( 724,4 * 181 ) Nous récupérons donc 131 116 KW au condenseur vapeur (sur les 1,49 GW). Cela représente 8,8 % de l'énergie perdue au condenseur ( 131 116 / 1 490 000 ). Les compresseurs ont consommé une puissance de : P = 26 805 KW ( 157 921 û 131 116 ) Pour chauffer et évaporer l'eau de la chaudière, je n'utilise plus qu'une puissance de : P = 2 332 136 KW [( 3299,4 û 209,25 ) * 754,7] Le rendement global de mon installation est alors de : N =100 * (1 000 000 û 26 805) / 2 332 136 N=41,7% J'ai amélioré le rendement de 1,6%.. III :exemple d'utilisation sous cycle de Rankine Ce cycle est le cycle utilisé dans les centrales nucléaires françaises (sources : EDF) 310 1 : le cycle frigorifique J'utilise le même circuit que celui vu précédemment : le R 407c 315 2 : le cycle vapeur : voir figure 12 Les valeurs suivantes sont obtenues d'après le diagramme de Molier. 320 - en «A» : les caractéristiques de l'eau sont : 0,05 b et 30°c l'eau possède une enthalpie de :H = Cp * T Cp est la chaleur massique de l'eau : 4,185 KJ / (Kg*K) T est la température initiale de l'eau (en sortie de condenseur) : 30 °C 325 Donc H(A) = 125,6 KJ / (Kg) - entre « A » et B » : mise en pression de l'eau et réchauffage de l'eau, c'est une évolution isochore. 330 - en « B » : les caractéristiques de l'eau sont : 67,5b et 283°c l'eau possède un H = Cp * AT donc : H = 4,185 * ( 283 û 30 ) H = 1 058,8 KJ / (Kg) 290 295 300 305 335 - entre « B » et « C » : vaporisation de l'eau. Cette évolution se fait à pression constante (évolution isobare) car il y a un changement d'état de l'eau qui passe de l'état liquide à l'état gaz. La pression est une fonction de la température lors de cette évolution. 340 - en«C» les caractéristiques de la vapeur sont : 67,5b et 283°c la vapeur possède un H = 2780 KJ / (Kg) - entre « C » et « D » : détente isentropique (sans perte d'énergie) dans la turbine. C'est la partie 345 productrice d'énergie. - en« D»: les caractéristiques de la vapeur sont : 0,05b et 30°c la vapeur possède un H = 1775 KJ / (Kg) récapitulatif énergétique : - La chaudière fournit : H= 2780ù 125,6 Donc H= 2654,4 KJ / (Kg) - La turbine produit : H = 2780 - 1775 Donc H = 1005 KJ / (Kg) - Le condenseur « perd » : H = 1775 ù 125,6 Donc H = 1649,4 KJ / (Kg) Le rendement de la chaudière actuelle est alors de : n = (1005 / 2654,4) * 100 Cela f a i t 37,9% ! ! ! Puissances : Si la turbine fournit 1 GW d'énergie, Le débit d'eau / vapeur est de : 370 P=Qm*AH Donc Qm = P /AH Qm = 995 Kg / S Le condenseur perd une puissance de : 1,64 GW (disponible pour la frigo...) 3 : étude quantitative le gaz utilisé : R 407c Evaporateur : AH = 181 Kj / Kg Compresseur : AH = 37 Kj / Kg Condenseur : AH = 218 Kj / Kg 350 355 360 365 375 380 385 Dans la chaudière, le AH « brulé » pour le réchauffage de l'eau entre 30°C et 80°C est de : AH = ( 80 ù 30 ) * 4,185 AH = 209,25 KJ / Kg 390 C'est l'énergie que je vais tenter d'apporter au système grâce aux cycles frigorifiques. Donc la puissance de réchauffage est de : P = 209,25 * 995 P = 208 204 KW 395 Nous disposons de 1,64 GW au condenseur vapeur et nous avons besoin de 208 204 KW dans la chaudière vapeur pour le réchauffage de l'eau entre 30°C et 80°C. Donc nous avons besoin d'une puissance de 208 204 KW au condenseur du cycle frigo. La puissance nécessaire au condenseur est de : 208 204 KW Le débit de fréon est de: Qm = 955 Kg / S ( 208 204 /218) La puissance récupérée dans l'évaporateur est de : P = 172 855 KW ( 955 * 181 ) 405 Nous récupérons donc 172 855 KW au condenseur vapeur (sur les 1,64 GW). Cela représente 10,5 % de l'énergie perdue au condenseur ( 172 855 / 1 640 000 ). Les compresseurs ont consommé une puissance de : P = 35 349 KW ( 208 204 ù 172 855 ) 410 Pour chauffer et évaporer l'eau de la chaudière, je n'utilise plus qu'une puissance de : P = 2 432 924 KW [( 2654,4 ù 209,25) * 995] Le rendement global de mon installation est alors de : 415 N =100 * (1 000 000 ù 35 349) / 2 432 924 N=39,6% J'ai amélioré le rendement de 1,7%.. CONCLUSION 425 Nous pouvons observer une nette amélioration du rendement dans les deux cas étudiés. Je pense que ce procédé peut être réellement installé sur ces types d'installations et créer ainsi des économies d'énergie assez importantes. De plus le coût d'installation de ce procédé sur des systèmes vapeur déjà existants serait vite 430 amorti du fait de l'économie de combustible engendrée. 400 420 Revendications1. Procédé pour récupérer de I'énergie sur un cycle vapeur grâce à un cycle frigorifique caractérisé en ce que l'énergie récupérée au condenseur vapeur est transmise au réchauffeur d'eau du même circuit vapeur grâce à un cycle frigorifique. 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le cycle frigorifique est utilisé dans la configuration d'un cycle type « pompe à chaleur ». 3. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le système frigorifique doit utiliser un fluide frigorigène capable d'évoluer dans les caractéristiques thermiques définies par le cycle vapeur (entre 30°C et 80°C). 4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les caractéristiques d'évolutions du fluide frigorigène doivent être optimales pour le différentiel thermique utile pour transmettre de l'énergie du condenseur vapeur au réchauffeur d'eau. 5. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le système frigorifique doit être dimensionné de façon à pouvoir transmettre la totalité de l'énergie nécessaire au réchauffage de l'eau entre 30°C et 80°C du cycle vapeur dans le réchauffeur d'eau.