Brevet FR3004486A1 — publié le 20141017

- 1 - La présente invention concerne un dispositif permettant de transformer l'énergie thermique en énergie mécanique au moyen d'un cycle apparenté à celui d'un cycle de Rankine employant un fluide de travail séchant. Cette énergie mécanique est la plupart du temps utilisée pour mouvoir une génératrice électrique. Un cycle organique de Rankine est un cycle thermodynamique permettant de transformer l'énergie thermique en énergie mécanique qui consiste à faire subir à un fluide de travail, initialement en phase liquide, une compression qui l'amène en phase liquide haute pression, puis une réchauffe en phase liquide suivi d'une vaporisation qui l'amène en phase vapeur haute pression saturée, puis dans certains cas d'une surchauffe, puis d'une détente à l'issue duquel le fluide reste sous forme vapeur et enfin une condensation qui le ramène en phase liquide basse pression. Deux types de cycle organique de Rankine existent : ceux utilisant des fluides séchant et ceux employant des fluides mouillant. Pour mémoire, on appelle fluide de travail séchant, un fluide tel qu'une détente isentropique partant de la courbe de rosée amène le fluide dans une phase de vapeur surchauffée, l'éloignant ainsi de la zone de saturation. Les alcanes ont cette propriété au contraire de l'eau que l'on qualifiera par opposition de fluide mouillant. Pour les cycles de Rankine utilisant un fluide mouillant, c'est à dans l'écrasante majorité des cas l'eau, et des turbines comme dispositif de détente, la détente part généralement d'une phase de vapeur très surchauffée pour finir proche de la phase saturée. En effet, l'utilisation de turbines fait que l'on cherche à rester au maximum dans une phase de vapeur surchauffée lors de la détente pour éviter la formation de gouttelettes en phase saturée, qui, projetées à haute vitesse sur les aubages, sont une source d'érosion. De nombreuses variantes existent avec des systèmes de réchauffes pour pouvoir réaliser plusieurs détentes sans trop entrer en phase saturée. Les cycles de Rankine dit organique, c'est-à-dire utilisant des fluides séchant, sont couramment employés pour la transformation d'énergie thermique de faible et moyenne températures (entre 80°C et 400°C) en énergie mécanique pour des puissances relativement faibles (de quelques kW à quelques MW). La propriété séchante du fluide qui interdit la formation de gouttelettes (la détente finissant - 2 - 35 nécessairement en phase surchauffée) rend la conception de ces cycles beaucoup plus simple en termes de contrôle de la vapeur envoyée au dispositif de détente. D'autre part, la surchauffe est optionnelle, ce qui permet d'emmagasiner plus de puissance sous forme de chaleur latente au maximum de la température de la source chaude. 40 Mais les cycles organiques de Rankine, pour avoir de bonnes efficacités, doivent généralement disposer d'une régénération. En effet, à l'issue de la détente, la vapeur est encore surchauffée. Elle contient une énergie utilisable qui ne peut plus être extraite sous forme mécanique par le dispositif de détente car la pression en ce point du cycle est celle du condenseur. D'autre part, la température après détente 45 est généralement bien supérieure à la température du fluide sous forme liquide en sortie du compresseur. La régénération consiste donc à extraire de la vapeur surchauffée basse pression une certaine quantité d'énergie thermique pour augmenter la température du fluide en sortie de compresseur et se substituer partiellement à l'énergie thermique fournie par la source chaude. Il en résulte, pour 50 même travail mécanique du dispositif de détente, une consommation thermique réduite, ce qui a pour effet d'augmenter le rendement global. Néanmoins, l'ajout d'un régénérateur pose deux problèmes. Les différences de températures moyennes entre les deux branches de l'échangeur qui assure la régénération - que nous nommerons à partir de maintenant régénérateur - sont 55 généralement faibles et le fluide dont on extrait l'énergie est en phase vapeur surchauffée basse pression. Ces deux facteurs contraignent généralement à employer de grandes surfaces d'échanges, ce qui implique des échangeurs de grande taille qui représentent une part non négligeable du coût du système global. D'autre part, l'emploi d'un échangeur induit nécessairement une perte de charge. Or 60 les pertes de charge tendent à réduire le rendement mais pas de la même façon pour les différentes parties du cycle. En effet, une perte de charge au niveau du chauffage du fluide est facilement compensée par une compression un peu plus importante et occasionne une surconsommation mécanique généralement très faible et une diminution de rendement non significative. Il en va tout autrement des 65 pertes de charges qui surviennent sur la branche vapeur du régénérateur : celles-ci viennent directement réduire le taux de détente du dispositif de détente et ont en général une incidence importante sur le rendement du cycle. Au final, l'ajout d'un régénérateur accroît généralement le rendement global du cycle, c'est pourquoi il est fréquemment employé. Cependant le surcroît d'efficacité - 3 - 70 qu'il apporte et partiellement contrebalancer par les pertes de charges qu'il génère. Nous cherchons donc à maximiser l'avantage du régénérateur tout en limitant au maximum ses effets négatifs. 75 Le dispositif selon l'invention permet de réduire les problèmes de surcoût et de diminution de l'énergie mécanique récupérée lors de la détente qui surviennent avec l'emploi d'un régénérateur. Il comporte une succession d'éléments permettant de faire subir à un fluide de travail séchant un certain nombre de transformations décrites ci-après. Les composants, et les transformations qu'ils opèrent, sont décrits 80 dans l'ordre de circulation du fluide dans le circuit. Un compresseur (1) amène le fluide de l'état basse pression (pl) liquide (a) à l'état haute pression (p3) liquide (b). Le circuit comporte ensuite un échangeur de chaleur régénérateur (2) dont la branche liquide (21) permet d'augmenter la température du fluide à l'état liquide haute pression (c) sans variation de pression autre que celle due aux pertes de 85 charges de ladite branche liquide de l'échangeur (21). Le circuit comporte ensuite un préchauffeur (3) qui extrait de la chaleur d'une source chaude et permet d'augmenter encore la température du fluide pour l'amener en phase liquide saturée haute pression (d) sans variation de pression autre que celle due aux pertes de charges de charges de l'échangeur (3). Le circuit comporte ensuite un générateur 90 de vapeur (4) qui extrait de la chaleur d'une source chaude et qui permet d'amener le fluide en phase vapeur saturée haute pression (e) sans variation de pression autre que celle due aux pertes de charges de l'échangeur (4). Le circuit comporte ensuite un surchauffeur (5) qui extrait de la chaleur d'une source chaude et qui permet d'amener le fluide en phase vapeur surchauffée haute pression (f) sans 95 variation de pression autre que celle due aux pertes de charges de l'échangeur (5). Le circuit comporte ensuite un dispositif de détente (6) permettant d'extraire du fluide de l'énergie mécanique et produisant une détente du fluide l'amenant à pression intermédiaire (p2) en phase surchauffée (g). Cette vapeur surchauffée (g) sera ensuite refroidie pour atteindre un état de vapeur saturée à pression 100 intermédiaire (h) sans variation de pression que celle due aux pertes de charge de la branche vapeur de l'échangeur (21). L'énergie thermique ainsi tirée de la branche vapeur de l'échangeur (2v) étant employée pour chauffer le fluide dans la branche liquide (21). Le circuit comporte ensuite un dispositif de détente (7) permettant de détendre le fluide sous forme de vapeur surchauffée basse pression (pl) (i) et d'en - 4 - 105 extraire de l'énergie mécanique. Le circuit comporte ensuite un refroidisseur (8) qui extrait de la chaleur du fluide pour la communiquer à une source froide de façon à diminuer la température du fluide pour l'amener en phase vapeur saturée basse pression (j) sans variation de pression autre que celle due aux pertes de charges de charges de l'échangeur (8). Le circuit comporte finalement un condenseur (9) qui 110 permet, sans autre variation de pression que celle due à l'échangeur (9) d'amener le fluide sous forme liquide saturée basse pression en transmettant l'énergie thermique extraite du fluide à la une source froide. 115 Selon les modes particuliers de la réalisation : ^ le préchauffeur (3), le générateur de vapeur (4) et le surchauffeur (5) peuvent être un seul et même échangeur. ^ le surchauffeur (5) peut être omis, auquel cas la détente réalisé par le 120 dispositif de détente (6) commence à partir de l'état (e) où le fluide est à l'état de vapeur haute pression saturée, le reste du cycle n'étant pas modifié. ^ les dispositifs de détente employés) peuvent être des turbines. ^ les dispositifs de détente employés) peuvent être de type volumétrique. 125 La solution technique proposée s'appuient sur deux constatations. D'une part, les pertes de charges liées à un échangeur dans la portion du cycle en phase vapeur 130 sont globalement stables (pour fixer les idées, nous prendrons ici 20kPa). D'autre part, en supposant que la détente se fait en au moins deux étages, l'énergie mécanique fournie par la détente au travers d'un dispositif de détente - mettons ici une turbine - est à peu près proportionnel au taux de détente. Or il est fréquent que la pression de condensation (pour fixer les idées, nous prendrons ici 40kPa) soit du 135 même ordre de grandeur que la perte de charge. Dans ce cas, le taux de détente est fortement impacté par la présence ou non d'un régénérateur. En effet - 5 - supposons par exemple que la dernière détente à lieu entre 200 kPa et 40kPa (donc sans régénérateur), le taux de détente est donc de 5. Si maintenant, on positionne un régénérateur en aval de la dernière turbine, le taux de détente passe à 200 / 140 (40+20) = 3.33. Si par contre on positionne le régénérateur en amont de la dernière turbine de détente vaudra alors (200-20)/40 = 4.5. On voit donc que l'on a intérêt à positionner le régénérateur au milieu de la détente. 145 Les dessins annexés illustrent l'invention : ^ La figure 1 représente le cycle sur un digramme thermodynamique avec en abscisse l'entropie et en ordonnée la température. Les traits les plus épais représentent la trajectoire des états du fluide sur le diagramme, en tirets sur 150 les parties régénérés et en trait plein ailleurs. Les traits sous forme de tirets d'épaisseur moyenne représentent les courbes de rosée et d'ébullition. Les courbes fines alternant points et tirets représentent des courbes isobares. Dans cette figure, le cycle est présenté avec surchauffe. 155 ^ La figure 2 représente le cycle thermodynamique sans surchauffe de la même façon que sur la figure 1 ^ La figure 3 représente le cycle avec la succession des composants. 160 Dans la forme de réalisation de la figure 1, en choisissant en plus de prendre comme fluide de travail du toluène, le dispositif comporte la série de composants décrits ci-après. Un compresseur (1). Celui-ci amène le fluide de l'état basse pression (pl) liquide (a) 165 (température de 29°C, pression de 4.89 kPa) à l'état haute pression (p3) liquide (b) (température de 31.3°C , pression de 2571.6 kPa). Le circuit comporte ensuite un échangeur de chaleur régénérateur (2) dont la branche liquide (21) permet d'augmenter la température du fluide à l'état liquide - 6 - haute pression (c), soit une variation de pression de -20kPa due aux pertes de 170 charge dans l'échangeur (température de 106.3°C, pression de 2551.6 kPa). Le circuit comporte ensuite un préchauffeur (3) qui extrait de la chaleur d'une source chaude et permet d'augmenter encore la température du fluide pour l'amener en phase liquide saturée haute pression (d), puis un générateur de vapeur (4) qui extrait de la chaleur d'une source chaude et qui permet d'amener le fluide en phase 175 vapeur saturée haute pression (e) puis un surchauffeur (5) qui extrait de la chaleur d'une source chaude et qui permet d'amener le fluide en phase vapeur surchauffée haute pression (f) (température de 281°C, pression de 2531.6 kPa), chacun des trois échangeurs précités ayant une perte de charge de 20kPa. 180 Le circuit comporte ensuite un dispositif de détente (6) ayant une efficacité isentropique de 85% permettant d'extraire du fluide de l'énergie mécanique et produisant une détente du fluide l'amenant à pression intermédiaire (p2) en phase surchauffée (g) (température de 198°C, pression de 169 kPa). Cette vapeur surchauffée (g) sera ensuite refroidie par la branche vapeur de 185 l'échangeur (21) pour atteindre un état de vapeur saturée à pression intermédiaire (h) (température de 125.70°C, pression de 149 kPa) avec donc une variation de pression de 20 kPa due aux pertes de charge. L'énergie thermique ainsi tirée de la branche vapeur de l'échangeur (2v) étant employée pour chauffer le fluide dans la branche liquide (21). 190 Le circuit comporte ensuite un deuxième dispositif de détente (7) permettant de détendre le fluide sous forme de vapeur surchauffée basse pression (pl) (i) (température de 72°C, pression de 10 kPa) et d'en extraire de l'énergie mécanique. Le circuit comporte ensuite un refroidisseur (8) qui extrait de la chaleur du fluide pour la communiquer à une source froide de façon à diminuer la température du 195 fluide pour l'amener en phase vapeur saturée basse pression (j) sans variation de pression autre que celle due aux pertes de charges de charges de l'échangeur (8). Le circuit comporte finalement un condenseur (9) qui permet, sans autre variation de pression que celle due à l'échangeur (9) d'amener le fluide sous forme liquide saturée basse pression en transmettant l'énergie thermique extraite du fluide à la 200 une source froide. - 7 - Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné aux installations produisant de l'électricité grâce à une génératrice électrique employant un mouvement mécanique, telles que les centrales électriques et les blocs électrogènes. 205 210 REVENDICATIONS1) Dispositif pour convertir l'énergie thermique en énergie mécanique caractérisé en ce qu'il s'agit d'une succession d'éléments permettant de faire subir à un fluide de travail séchant un certain nombre de transformations, lesquelles sont, dans l'ordre de circulation du fluide dans le circuit, un compresseur (1) qui amène le fluide de l'état basse pression (pl) liquide (a) à l'état haute pression (p3) liquide (b), de la branche liquide d'un échangeur de chaleur régénérateur (21) qui permet d'augmenter la température du fluide à l'état liquide haute pression (c) sans variation de pression autre que celle due aux pertes de charges de la branche liquide de l'échangeur (21), d'un préchauffeur (3) qui extrait de la chaleur d'une source chaude et permet d'augmenter encore la température du fluide pour l'amener en phase liquide saturée haute pression (d) sans variation de pression autre que celle due aux pertes de charges de charges de l'échangeur (3), d'un générateur de vapeur (4) qui extrait de la chaleur d'une source chaude et qui permet d'amener le fluide en phase vapeur saturée haute pression (e) sans variation de pression autre que celle due aux pertes de charges de l'échangeur (4), d'un surchauffeur (5) qui extrait de la chaleur d'une source chaude et qui permet d'amener le fluide en phase vapeur surchauffée haute pression (f) sans variation de pression autre que celle due aux pertes de charges de l'échangeur (5), d'un dispositif de détente (6) permettant d'extraire du fluide de l'énergie mécanique et produisant une détente du fluide l'amenant à pression intermédiaire (p2) en phase surchauffée (g), laquelle vapeur surchauffée sera ensuite refroidie pour atteindre un état de vapeur saturée à pression intermédiaire (h) sans variation de pression que celle due aux pertes de charge de la branche vapeur de l'échangeur (21) , l'énergie thermique ainsi tirée de la branche vapeur de l'échangeur (2v) étant employée pour chauffer le fluide dans la branche liquide (21), d'un dispositif de détente (7) permettant de détendre le fluide sous forme de vapeur surchauffée basse pression (pl) (i) et d'en extraire de l'énergie mécanique, d'un refroidisseur (8) qui extrait de la chaleur du fluide pour la communiquer à une source froide de façon à diminuer la température du fluide pour l'amener en phase vapeur saturée basse pression (j) sans variation de pression autre que celle due aux pertes de charges de charges de l'échangeur (8), et finalement d'un condenseur (9) qui permet, sans autre variation de pression que celle due à l'échangeur (9) d'amener le fluide sous forme liquide saturée basse pression en transmettant l'énergie thermique extraite du fluide à la source froide.-2- 40 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le préchauffeur (3), le générateur de vapeur (4) et le surchauffeur (5) peuvent être un seul et même échangeur. 3) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le surchauffeur (5) peut être omis, auquel cas la détente 45 réalisé par le dispositif de détente (6) commence à partir de l'état (e) où le fluide est à l'état de vapeur haute pression saturée, le reste du cycle n'étant pas modifié. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le les dispositifs de détente employés sont des turbines. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 précédentes 50 caractérisé en ce que le les dispositifs de détente employés sont de type volumétrique.