Brevet FR2970038A1 — publié le 20120706

SYSTEME DE GENERATION D'UN MELANGE DOUBLE PHASE A GRANDE VITESSE 1.DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTERIEUR Dans toutes les machines qui transforment de l'énergie thermique en énergie mécanique on utilise la détente d' un fluide thermodynamique passé de l'état liquide à l'état de 10 vapeur, Cycle de Rankine ,ou déjà sous forme gazeuse sous pression, mais fortement chauffé grâce à une source chaude de chaleur :Cycle de Joule. Cette transformation se fait par combustion (Cycle Beau de Rochas dans les moteurs à pistons et les turbines à gaz) ou par ébullition dans un générateur de vapeur (Cycle de Rankine des machines à vapeur classiques , ou des turbines à vapeur). 15 Dans ces cycles, la détente du fluide thermodynamique qui est un fluide réel est une détente polytropique : la transformation se fait avec échange de chaleur et frottement et sa loi d'état est à tout moment PV'r = constante entre la pression P1 et la pression P2 . Le fluide décrit un cycle entre la source chaude et la source froide qui peut être représenté dans l'espace T (température), S (entropie) par le diagramme de la figure 1 20 dans lequel la surface du polygone A Al B D E A est l'image de la puissance générée par le cycle, le segment D E représentant la détente poly tropique. Cette surface est à comparer à celle du cycle de Carnot représenté par le polygone A Al C D Dl El A, dans lequel la détente représentée par le segment DD1 est une isotherme. On constate, évidemment que le cycle de Carnot permet, toutes choses égales par 25 ailleurs, de récupérer plus d'énergie mécanique, et cela parce que la détente du gaz se fait de façon isotherme suivant le segment D Dl. Si l'on veut augmenter le rendement d'un cycle utilisant la vapeur comme fluide thermodynamique, il faut donc la détendre de façon isotherme. Dans les turbines classiques, la détente de la vapeur se fait dans des aubages fixes dont la géométrie ne 30 permet pas de lui transférer de la chaleur pendant cette évolution. Certains convertisseurs d'énergie thermique en énergie mécanique décrits dans la littérature utilisent la détente d'un mélange d'un fluide thermodynamique (vapeur d'eau) , et d'un caloporteur (du glycérol) lequel devrait assurer une certaine iso thermicité en transférant des calories de la phase liquide à la phase gazeuse. Le mélange sortant d'une tuyère génératrice 35 à grande vitesse est envoyé sur une roue à action laquelle entraîne un alternateur.5 Cette roue à action est du type de celle inventée en 1880 par Lester Pelton pour récupérer l'énergie des chutes d'eau de grande hauteur. La génération de vapeur d'eau par mélange d'eau liquide avec du glycérol, utilisée pour faire tourner une turbine volumétrique, est décrite dans le brevet DE 691 549 C du 30 mai 1940 et reprise pour un mélange de gaz d'échappement et d'eau entraînant une turbine Pelton par le brevet US - A-3 972 195 du 3 août 1976. Dans ce dernier cas l'évolution des gaz n'est pas isotherme car l'eau augmente le refroidissement généré par leur détente. Dans ces deux systèmes, le transfert de chaleur entre phase est limité du fait que la longueur de mélange l'est aussi pour minimiser les pertes de charge. Les échanges thermiques entre gaz et liquide sont limités du fait du mauvais coefficient d'échange dans la phase gazeuse et de la brièveté de leur contact dans la tuyère. De plus, quand on mélange le glycérol et l'eau à une dizaine de bars et à 290°C de température, qui sont les conditions d'entrée dans la tuyère de détente, celui-ci absorbe instantanément 30 à 40% de l'eau. Cette eau se vaporise ensuite progressivement pendant la détente et donc entraîne la baisse de température du mélange et donc de la phase vapeur qui peut être partiellement recondensée. Dans ce cas, on ne peut donc pas détendre la vapeur de façon isotherme et le rendement de cycle est donc très loin du cycle de Carnot. 2. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention concerne un système permettant de générer et de détendre de la vapeur surchauffée sous pression (10 bar 290°C) à 1,5 bar 290°C à partir d'un flux de fluide caloporteur. Cette détente isotherme permet de donner à la vapeur une vitesse de l'ordre de 130 m /s .En sortie du système de détente le débit de fluide caloporteur en légère sous saturation ,environ 2 à 5°C, est injecté dans la veine gazeuse sous forme de fines gouttelettes dont la taille est réglée pour qu'elles soient entraînées pratiquement à la vitesse de la vapeur sur une courte distance. Le mélange est alors projeté sur les augets d'une turbine à action.35 Le système permet de générer de l'énergie mécanique à partir d'énergie thermique en trois phases séparées : 1- Vaporisation et surchauffe de l'eau sous pression 2- Détente isotherme qui transforme l'énergie thermique du gaz en énergie cinétique 3- Transfert de l'énergie cinétique du gaz au caloporteur liquide. 3- PRESENTATION DES FIGURES La figure 1/5 donne une illustration des cycles de Rankine et de Carnot dans le diagramme T,S (Température , Entropie) La figure 2/5 donne le schéma des circuits permettant à partir d'un flux de glycérol chaud à 340°C : -de générer de la vapeur surchauffée à 10 b et 290°C, -de la détendre de façon isotherme à 1,5 b et 290°C, -de pulvériser le flux de caloporteur dans le flux de vapeur, -d'injecter ce mélange sur une turbine à action. La figure 3/5 donne une coupe par un plan vertical du système de déversoir isotherme. La figure 4/5 donne une coupe par un plan vertical du système de déversoir isotherme côté entrée de la vapeur . La figure 5/5 donne une coupe par un plan vertical du système de déversoir isotherme coté sortie de la vapeur. 4. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION PREFERENTIEL DU SYSTEME DE GENERATION D'UN MELANGE DOUBLE PHASES A GRANDE 30 VITESSE Le schéma de procédé de génération d'énergie mécanique à partir d'énergie thermique faisant l'objet de l'invention est représenté par la figure 2/5. Le caloporteur chaud en provenance de la source chaude Rep 6 est introduit dans le 35 déversoir isotherme Rep 2 ou il réchauffe la vapeur pendant sa détente. À la sortie du déversoir isotherme il est introduit dans le circuit primaire d'un générateur de vapeur Rep 1 de type simple passe de la sortie duquel il est introduit en un état de légère sous- saturation,environ 2 à 5°C , par une buse de pulvérisation Rep 3, dans le flux de vapeur sortant à grande vitesse du détendeur pour générer un flux double phase dans un injecteur Rep 4 lequel en sort à la pression atmosphérique. Le déversoir isotherme Rep 2 maintient à une valeur constante la pression de sortie du générateur de vapeur simple passe à surchauffe variable, Rep 1, quel que soit le débit de vapeur produit. 4.2 DEVERSOIR ISOTHERME Le déversoir isotherme est constitué d'un corps fixe Rep 15 et d'un clapet mobile Rep 10. L'étanchéité entre le mobile et le corps fixe est faite par un soufflet Rep 27. Le clapet mobile et le corps fixe constituent 7 étages de réchauffage séparés chacun par 8 dispositifs de laminage Rep 11,12,13,14,15,16,17,39. Ces dispositifs sont constitués d'un cône mâle usiné sur le clapet mobile est d'un cône femelle usiné dans le corps fixe. Les cotes des ouvertures de ces ensembles clapet/siège sont déterminées pour que leur perte de charge soient identiques compte tenu de la pression ,et donc du volume massique ,de la vapeur à leur entrée respective. Les diamètres des ensembles siège / clapet vont croissant entre le bas et le haut du déversoir de façon à pouvoir monter le mobile Rep 10 dans le corps Rep 15. La perte de charge de chaque dispositif de laminage est de l'ordre de 1,25 b à tous les débits compris entre 0 et le débit nominal du détendeur. L'entrefer des dispositifs de laminage, et donc leur perte de charge, est fixé par I' antagonisme de l'action du ressort Rep 32 est de l'effort dû à la différence de pression entre l'entée et la sortie :c'est le fonctionnement d'un déversoir détendeur industriel classique qui maintient une perte de charge constante à débit variable. La vis Rep 31 permet le réglage de la valeur de la détente en modifiant la compression du ressort Rep 32 . Après chaque détente dans un dispositif de laminage , la vapeur est réchauffée jusqu' au suivant par les parois qui encadrent son canal d'écoulement Rep 18 , dans la partie fixe Rep 17 et dans la partie mobile Repl 9. Le corps fixe est constitué de 2 viroles concentriques Rep 14 et Rep 15 emmanchées à chaud l'une dans l'autre et solidarisées par soudure. La virole Rep 14 est usinée sur son diamètre extérieur en forme de vis à pas constant et à section rectangulaire dont le diamètre augmente à chaque étage. La virole Rep 15 forme avec la virole Rep 14 le canal latéral d'écoulement du fluide caloporteur dans le corps Rep 15. Le clapet mobile est constitué d'un noyau Rep 10 sur lequel est taillée également une vis de pas et de profondeur constante dont le diamètre augmente à chaque étage. Sur le noyau ainsi usiné est emmanchée à chaud une virole Rep 13 munie d'un fond, qui délimite le canal Rep 19 du fluide caloporteur dans le clapet mobile Rep 10. Sur le diamètre extérieur de la virole Rep 13 est taillée une spirale de profondeur constante Rep 18, dont le pas reste constant sur un étage et augmente à chaque étage. La section de la spirale pour un étage, et donc son pas, est proportionnelle au volume spécifique de la vapeur à la pression moyenne de l'étage considéré. Les spirales successives du canal vapeur permettent de faire varier la vitesse de la vapeur de 60 m/s à 10b en entrée du déversoir à 130 m/s à 1,5 b en sortie. La vapeur chemine de l'entrée Rep16 à la sortie Rep 37 , via un collecteur circulaire Rep 36, dans le canal Rep 18 constitué d'une pluralité de spirales à pas constant ,séparées par les dispositifs de laminage Rep 11, 12,13, 14, 15, 16 ,17, 39. Le flux de caloporteur qui chemine dans les deux canaux Rep 17 et Rep 19 du noyau Rep 10 et de la virole Rep 14 cède de la chaleur au flux de vapeur qui chemine dans la spirale Rep 18 . Les épaisseurs résiduelles en fond de gorge de l'usinage de la virole Rep 13 et de la virole Rep 14 sont réduites à environ 1,5 mm de façon à favoriser l'échange de chaleur entre le caloporteur et la vapeur qui se détend. Le jeu fonctionnel de 1 à 2 110 de mm qui permet le déplacement du clapet Rep 15 par rapport au corps Rep 10 se trouve entre la virole Rep13 et la virole Rep14 . La continuité des écoulements de caloporteur entre les étages du clapet mobile Rep 10 de différents diamètres se font par le biais de lamages Rep 23 et de trous Rep 21. L'alimentation en caloporteur de la vis Rep 19 du noyau se fait par une entrée Rep 30 suivie d'un canal central Rep 22 qui alimente la base de la vis Rep 19 par des diaphragmes Rep 24 . La sortie se fait par des trous Rep 40 qui débouchent dans un collecteur annulaire Rep 29 relié à une sortie Rep 35. L'alimentation en caloporteur de la vis Rep 17 du corps fixe Rep 15 se fait par deux entrées Rep 25 et Rep 26 La sortie se fait par des collecteurs Rep 38 et Rep 39 . La continuité des écoulements de caloporteur entre les étages de différents diamètres se font par le biais de lamages Rep 20 et de trous Rep 23. 5. AVANTAGES COMPLEMENTAIRES DE L'INVENTION L'utilisation d'écoulements dans des canaux hélicoïdaux pour les échanges entre fluides permet d'obtenir des améliorations importantes des coefficients d'échange du fait de l'accroissement de la turbulence. Par ailleurs le fait d'avoir un divergent en spirale permet d'obtenir une grande compacité du dispositif. Enroulé il fait environ 800 mm de haut en version plane rectiligne il ferait environ 12m de long. Le dispositif permet aussi de faire travailler ensemble de l'eau comme fluide thermodynamique et du glycérol comme caloporteur ,en évitant le problème d'absorption de l'eau par celui-ci à 10b ,qui entraîne des difficultés pour obtenir une détente vraiment isotherme en double phase . L'eau se vaporisant pendant la détente,il est impossible de fournir la chaleur latente par transfert entre phase ou par apport de chaleur externe. Le glycérol possède un très gros avantage au niveau.de la dangerosité : il est en effet comestible et ce dispositif permet d'éviter le phénomène de dissolution qui perturbe Tiso thermicité de la détente. L'utilisation d'un déversoir mécanique permet d'éviter de monter une vanne de régulation et son électronique de pilotage en sortie du générateur de vapeur simple passe. 6.APPLICATIONS INDUSTRIELLES Le convertisseur d'énergie thermique en énergie mécanique faisant l'objet de l'invention et qui permet une détente isotherme du fluide thermodynamique pour créer de la quantité de mouvement, peut équiper tous les modules de génération d'électricité utilisant une roue à action dont la simplicité et le rendement sont particulièrement attractifs.30 REVENDICATIONS1. Système de génération d'un mélange double phase à grande vitesse à partir de vapeur surchauffée sous pression et d'un fluide caloporteur, séparant les fonctions génération de vapeur surchauffée sous pression, détente isotherme de la vapeur et mélange de la vapeur à grande vitesse avec le caloporteur. 10 2. Système de génération d'un mélange double phase à grande vitesse à partir de vapeur surchauffée sous pression et d'un flux de caloporteur suivant la revendication 1 qui utilise un générateur de vapeur simple passe Rep1 régulé en pression constante et surchauffe variable, par un déversoir isotherme Rep 2, une 15 buse de pulvérisation Rep 4 et un injecteur Rep 5 attaquant une turbine à action. 3. Système de génération d'un mélange double phase à grande vitesse à partir de vapeur surchauffée sous pression et d'un fluide de caloporteur suivant revendication 1 et 2 lequel est utilisé pour alimenter le circuit primaire des appareils 20 en cascade : générateur de vapeur Rep 1 , déversoir Rep 2 , mélangeur Rep 3, et qui se retrouve en état de légère sous- saturation d'environ 2 à 5°C ,à la pression atmosphérique en sortie de la buse d'injection Rep 4. 4. Système de génération d'un mélange double phase à grande vitesse à partir de 25 vapeur surchauffée sous pression et d'un flux de caloporteur suivant les revendications 1 à 3 caractérisé par le fait qu'il utilise un déversoir Rep 2 dans lequel la vapeur se détend jusqu'à 1,5 b en conservant sa température grâce à l'apport calorifique du caloporteur. 30 5. Système de génération d'un mélange double phase à grande vitesse à partir de vapeur surchauffée sous pression et d'un flux de caloporteur suivant les revendications 1 à 4 caractérisé par le fait que la détente se fait par huit étages par le biais de dispositifs de laminage espacés par des zones de réchauffage de la vapeur. 7 35 6. Système de génération d'un mélange double phase à grande vitesse à partir de vapeur surchauffée sous pression et d'un flux de caloporteur suivant les revendications 4 à 5 caractérisé par le fait que le diamètre des systèmes de laminage Rep 11,12,13,14,15,16,17, 39 augmentent du bas vers le haut du déversoir pour permettre le montage de la partie mobile Rep 10 dans le corps Rep15. 7. Système de génération d'un mélange double phase à grande vitesse à partir de vapeur surchauffée sous pression et d'un flux de caloporteur suivant les revendications 4 à 6 caractérisé par le fait que les écoulements de fluide caloporteur se font de part et d'autre de l'écoulement de vapeur par des canaux hélicoïdaux à pas et profondeur fixes et à diamètre variable par étage.. 8. Système de génération d'un mélange double phase à grande vitesse à partir de vapeur surchauffée sous pression et d'un flux de caloporteur suivant les revendications 4 à 7 caractérisé par le fait que le canal d'écoulement de la vapeur est constitué de spirales à pas fixe entre deux dispositifs de laminage, lequel pas augmente à chaque étage. 9. Système de génération d'un mélange double phase à grande vitesse à partir de vapeur surchauffée sous pression et d'un flux de caloporteur suivant les revendications 4 à 8 caractérisé par le fait que le détendeur Rep 2 est constitué de trois viroles et d'un corps, emmanchés à chaud les uns dans les autres ,et coopérant pour former trois canaux étanches les uns par rapport aux autres. 10. Système de génération d'un mélange double phase à grande vitesse à partir de vapeur surchauffée sous pression et d'un flux de caloporteur suivant les revendications 4 à 9, caractérisé par le fait que le canal spiralé à pas et diamètre variables constitue un divergent dans lequel la vapeur s'écoule de la pression de sortie du générateur de vapeur Rep1 à la pression d'entrée dans l'injecteur Rep 5. 11. Système de génération d'un mélange double phase à grande vitesse à partir de vapeur surchauffée sous pression et d'un flux de caloporteur suivant lesrevendications 4 à 10, caractérisé par le fait que le canal spiralé à pas et diamètre variables Rep 18 et taillé sur le diamètre extérieur de la virole Rep 13 du clapet mobile . 12. Système de génération d'un mélange double phase à grande vitesse à partir de vapeur surchauffée sous pression et d'un flux de caloporteur suivant les revendications 4 à 11, caractérisé par le fait que le jeu fonctionnel permettant le déplacement du clapet Rep 10 par rapport au corps Rep 15 est disposé entre la virole Rep 13 et Rep 14.10