Brevet FR3036178A1 — publié le 20161118

Procédé de refroidissement d'une source chaude destinée à échanger avec un fluide de travail d'un système thermodynamique, installation mettant en oeuvre ce procédé et système thermodynamique L'invention concerne un procédé de refroidissement d'une source chaude destinée à échanger de la chaleur avec un fluide de travail d'un système thermodynamique, notamment un système thermodynamique mettant en oeuvre un cycle de Rankine. L'invention concerne aussi une installation mettant en oeuvre ce procédé. L'invention concerne encore un système thermodynamique correspondant. Les systèmes thermodynamiques connus fonctionnent souvent par échange de chaleur avec une, ou plusieurs sources de chaleur externes. Cependant, les éléments au contact de ces sources de chaleur, ou encore les fluides de travail desdits systèmes, peuvent souffrir de températures trop élevées qui pourraient les détériorer. Ainsi, lorsque ces sources de chaleurs sont des gaz de combustion, il est connu de les ventiler à l'aide de pales rotatives, voire d'en dériver une partie vers le milieu extérieur, dans le but principal d'en abaisser la température. Cependant, le rendement des systèmes thermodynamiques comprenant un abaissement de température de leur(s) source(s) chaude(s), tels que les solutions citées à titre d'exemple, n'est pas optimal. Un but de la présente invention consiste à prévoir un procédé et/ou une installation permettant de limiter la température des sources chaudes utilisées pour faire fonctionner un système thermodynamique, ceci sans que le rendement d'un tel système s'en trouve affecté. Ainsi l'invention concerne un procédé de refroidissement d'une source chaude destinée à échanger de la chaleur avec un fluide de travail d'un système thermodynamique, notamment un système thermodynamique mettant en oeuvre un cycle de Rankine, ledit système thermodynamique comprenant un échangeur de chaleur. Selon l'invention ledit procédé comprend les étapes suivantes : 3036178 2 - une étape d'échange de chaleur entre un flux principal de ladite source chaude et ledit fluide de travail, et - une étape de mixage d'un premier flux de ladite source chaude et d'un second flux de ladite source chaude pour constituer au moins en partie 5 ledit flux principal, ledit second flux étant prélevé dans ladite source chaude en aval dudit échangeur de chaleur. Ici, le flux principal est constitué d'un premier et d'un second flux, ce qui permet d'en contrôler la température. En effet, le mixage de deux flux, dont un plus 10 froid que l'autre, permet de limiter la température du flux principal obtenu. Ainsi, la température du flux principal qui est destiné à échanger de la chaleur avec le fluide de travail du système thermodynamique sera limitée, à la demande. Le procédé de l'invention permet donc avantageusement de prévenir les détériorations potentielles du système thermodynamique, et plus précisément de son 15 fluide de travail. En outre, puisque le contrôle de la température se fait par recirculation d'une fraction de la source chaude, le procédé de l'invention permet de fonctionner sans que son rendement s'en trouve affecté. 20 Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément : - lesdits premier et second flux de la source chaude sont à l'état gazeux, - le procédé de l'invention comprend en outre une étape de filtrage de ladite source chaude après passage à travers ledit échangeur de chaleur et 25 avant mixage desdits premier et second flux de la source chaude, - le procédé de l'invention comprend en outre une étape de séparation dudit flux principal, en aval dudit échangeur, de manière à définir au moins ledit second flux et un troisième flux de ladite source chaude destiné à être rejeté à l'extérieur, 30 - ladite étape de séparation a lieu en aval de ladite étape de filtrage, - le procédé de l'invention comprend en outre une étape de génération dudit premier flux de ladite source chaude qui consiste en la combustion, dans une chambre de combustion, d'énergie fossile, de biomasse, de matière minérale et/ou de déchets. 3036178 3 L'invention concerne aussi une installation mettant en oeuvre ledit procédé. L'invention concerne également une installation de refroidissement d'une 5 source chaude destinée à échanger de la chaleur avec un fluide de travail d'un système thermodynamique, notamment un système thermodynamique mettant en oeuvre un cycle de Rankine, ladite installation comprenant un échangeur de chaleur dudit système thermodynamique, ledit échangeur étant configuré pour permettre un échange de chaleur entre un flux principal de ladite source chaude et ledit fluide de 10 travail, ladite installation comprenant en outre des moyens de mixage d'un premier et d'un second flux de ladite source chaude de manière à constituer au moins en partie ledit flux principal, ladite installation étant configurée pour que ledit second flux soit prélevé dans ladite source chaude en aval dudit échangeur de chaleur. 15 Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément : - l'installation de l'invention comprend en outre un moyen de filtrage de ladite source chaude, - ledit moyen de filtrage est positionné en sortie dudit échangeur de chaleur, 20 - l'installation de l'invention comprend en outre une cheminée d'échappement destinée à évacuer en aval dudit échangeur une fraction de ladite source chaude, - ledit échangeur comprend un faisceau de circulation de ladite source chaude, ledit faisceau étant en acier. 25 L'invention concerne encore un système thermodynamique mettant en oeuvre un cycle thermodynamique de Rankine, ledit système comprenant l'échangeur de chaleur de ladite installation. 30 L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'au moins un mode de réalisation de l'invention 3036178 4 donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématiques annexés suivant : - la figure 1 est une représentation schématique d'un exemple de réalisation d'une installation selon l'invention, ladite installation mettant en oeuvre le 5 procédé selon l'invention, - la figure 2 est aussi une représentation schématique d'un exemple de réalisation d'une installation selon l'invention, illustrant en particulier les flux de la source chaude. 10 L'invention concerne un procédé de refroidissement d'une source chaude destinée à échanger de la chaleur avec un fluide de travail d'un système thermodynamique. La source chaude est illustrée, sur la figure 2, sous la forme de plusieurs flux F1-F6, circulant à l'intérieur de branches 31-35 représentées 15 schématiquement sur la figure 1. Le fluide de travail est repéré Fw sur la figure 2. D'ailleurs, ledit système thermodynamique n'est pas illustré en détails sur les figures 1 et 2. Seul un échangeur de chaleur 21 dudit système est ici représenté. On entend par « système thermodynamique », un système 20 thermodynamique mettant en oeuvre un cycle de Rankine, voire tout autre système thermodynamique mettant en oeuvre une détente d'un fluide gazeux. Selon l'invention ledit procédé comprend d'abord une étape d'échange de chaleur entre un flux principal F2 de ladite source chaude et ledit fluide de travail Fw 25 (voir figure 2). Cet échange se fait au niveau de l'échangeur de chaleur 21. Ledit échangeur 21 comprendra, par exemple, un faisceau de circulation de ladite source chaude, ici de son flux principal F2. Ledit faisceau sera avantageusement en acier. Le procédé selon l'invention comprend, en outre, une étape de mixage d'un premier flux F1 de ladite source chaude et d'un second flux F4 de ladite source 30 chaude pour constituer au moins en partie ledit flux principal F2, ledit second flux F4 étant prélevé dans ladite source chaude en aval dudit échangeur de chaleur 21. Autrement dit, on effectue une recirculation de la source chaude de la sortie vers l'entrée de l'échangeur 21. Le flux principal F2 ainsi constitué aura une température moins élevée que s'il était constitué du seul premier flux F1, qui, lui, provient 3 03 6 1 78 5 directement d'une chambre de combustion 10, ou équivalent. Autrement dit, le mixage du premier flux F1 avec le second flux F4, qui lui est prélevé après l'échange de chaleur dans l'échangeur 21, permet d'abaisser la température du flux principal F2 ainsi obtenu. 5 En conséquence et avantageusement, l'échangeur de chaleur 21 ne devra pas être d'une conception particulière dans le cadre du procédé de l'invention ; il pourra être prévu à partir de faisceaux de type standards, en acier, voire dans des métaux présentant un point de fusion plus faible que celui de l'acier. 10 L'utilisation en boucle fermée de la source chaude, notamment lors des deux premières étapes décrites ci-dessus, présente aussi l'avantage d'optimiser le rendement dudit échangeur de chaleur 21. En effet, la température d'échange thermique au sein de cet échangeur 21 pourra être maintenue relativement constante, ce qui permet un échange thermique optimal. 15 Il est à noter que l'étape de mixage se fait de préférence au niveau d'un organe de mixage 51 (voir figure 2), plus précisément, dans une chambre de dilution 51. La figure 1 représente schématiquement cette chambre de dilution 51 sous la forme d'un point. 20 Il est à noter aussi que la chambre de combustion 10 permet de réaliser une étape du procédé de l'invention, à savoir la génération dudit premier flux F1 de ladite source chaude. Cette étape consiste en la combustion d'énergie fossile, de matière minérale et/ou de déchets. Le premier flux F1 pourra aussi être généré par plusieurs 25 chambres de combustion, ceci sans sortir du cadre de l'invention. D'autre part, le fluide de travail Fw qui circule dans ledit système thermodynamique ne sera pas endommagé, lui non plus, par de trop hautes températures. Ainsi, le procédé de l'invention présente encore l'avantage de 30 permettre l'utilisation d'un fluide de travail Fw sans le prévoir résistant aux hautes températures. Par exemple, une température de l'ordre de 1 000°C pour le premier flux F1 en sortie de la chambre de combustion 10 et une température de l'ordre de 200°C pour le second flux F4 en sortie de l'échangeur 21 pourront conduire, en fonction des 3036 178 6 débits respectifs choisis, après mixage, à une température de l'ordre de 500°C pour le flux principal F2. Cette température est indiquée pour l'échange de chaleur avec un fluide de travail Fw destiné à circuler dans un système mettant en oeuvre le cycle thermodynamique de Rankine, par exemple. 5 Autrement dit, le procédé de l'invention comprend une étape de collecte de ladite source chaude au sein d'une alimentation, ou branche 31, à la sortie de la chambre de combustion 10 (voir figure 1). Ladite source chaude se présente alors sous la forme d'un fluide à l'état gazeux, appelé premier flux F1. 10 La branche 31 est avantageusement configurée de manière à guider ledit premier flux F1 vers l'organe de mixage 51 décrit ci-dessus. Le procédé de l'invention comprend encore une étape de dérivation d'une partie de la source chaude après son passage à travers l'échangeur de chaleur 21. Cette étape de dérivation est effectuée à l'aide d'une chambre illustrée 15 schématiquement sur les figures 1 et 2 par l'élément 52. Cet élément 52 est une chambre de séparation des flux. Ladite chambre de séparation 52 divise le flux en sortie de l'échangeur 21 en deux flux : le second flux F4 et un troisième flux F5. 20 Le second flux F4 est donc un flux recirculé, notamment via la branche repérée 34 sur la figure 1. Ce second flux F4 est recirculé vers ladite branche 31, de manière à abaisser la température du premier flux F1 qui y circule, comme il vient d'être décrit. Lesdits premier F1 et second flux F4 sont alors mixés dans la chambre de 25 mixage 51 pour devenir le flux principal F2, qui est alors dirigé vers l'échangeur de chaleur 21, notamment via la branche repérée 32 sur la figure 1. D'autre part, le flux directement après l'échangeur 21 - référencé F3 sur la figure 2 - est circulé par la branche 33 de la figure 1, vers la chambre de séparation 52. 30 Il est à noter que ledit troisième flux F5 est destiné à être rejeté à l'extérieur, de préférence via une cheminée d'échappement 60. Cette cheminée 60 est donc destinée à évacuer, en aval dudit échangeur 21, une fraction de ladite source 3036178 7 chaude, à savoir le troisième flux F5. Ce troisième flux F5 transite vers ladite cheminée 60, via la branche 35 de la figure 1. Dans un exemple de réalisation non illustré ici, le troisième flux F5 pourra 5 être utilisé pour un dispositif appartenant à une installation distincte de celle de l'invention, par exemple pour un échangeur ou un système de séparation de dioxyde de carbone. Ledit troisième flux F5 n'est alors pas rejeté vers l'extérieur. Le premier flux F1 est donc, ici, mélangé dans la chambre 51 avec le second 10 flux F4, qui est plus froid, pour donner le flux principal, ou flux mélangé F2. Le flux mélangé F2 présente alors une température intermédiaire entre celle des premier et second flux F1 et F4. Le flux mélangé F2 cède ensuite de la chaleur au fluide Fw, en particulier au niveau de l'échangeur 21. 15 Ainsi, le flux mélangé F2 sort de l'échangeur 21 plus froid qu'il n'y rentre, notamment sous la forme du flux F3. Ledit flux F3 est alors divisé entre ledit second flux F4 et ledit troisième flux F5, au niveau de l'élément de séparation 52. Il est à noter, aussi, que le procédé de l'invention comprendra 20 avantageusement une étape de filtrage de ladite source chaude après passage de la source chaude à travers ledit échangeur de chaleur 21 et avant mixage desdits premier F1 et second flux F4 de la source chaude. Cette étape de filtrage est prévue de manière à éviter une détérioration dudit échangeur 21 par le second flux F4, ou flux recirculé F4. Autrement dit, comme illustré sur la figure 2, l'installation de 25 l'invention comprendra un moyen de filtrage 40 pour filtrer le flux F3 directement après l'échangeur 21, et avant la chambre de séparation 52. Encore autrement dit, l'étape de filtrage permet de limiter l'encrassement de l'installation selon l'invention, en particulier de l'échangeur de chaleur 21. 30 Il est à noter, encore, que ladite étape de filtrage sera prévue avant l'étape de séparation du procédé décrite ci-avant. Il est à noter également que le procédé de l'invention pourra comprendre une étape de séparation supplémentaire concernant, notamment, ledit second flux F4. 3036178 8 Cette étape de séparation supplémentaire du second flux F4 permettra de définir un quatrième flux F6 destiné à être rejeté, notamment à l'extérieur. Cette étape de séparation est prévue de manière à abaisser la température dudit second flux F4, plus précisément de manière à en contrôler la température avant l'étape de 5 mixage dudit procédé. Selon une variante non illustrée ici, des capteurs de température pourront alors être prévus pour mesurer la température du second flux F4 afin de prendre la décision d'en dériver une partie, ou pas, notamment après calcul par un automate. La recirculation dudit quatrième flux F6 pourra aussi se faire vers la chambre de 10 combustion 10 (voir figure 2), donc en interne de ladite installation, ceci présentant l'avantage de la réutilisation de l'inertie thermique de la partie refroidie de la source chaude à tous les étages de ladite installation. Autrement dit, cela présente l'avantage de ne pas perdre l'inertie thermique que représente potentiellement ledit quatrième flux F6 en le rejetant directement vers l'extérieur. 15 Comme évoqué ci-dessus, l'invention concerne aussi une installation mettant en oeuvre ledit procédé. Ladite installation comprend en particulier l'échangeur de chaleur 21 et des moyens de mixage 51 desdits premier F1 et second flux F4 de ladite source chaude de manière à constituer au moins en partie ledit flux principal 20 F2. Ladite installation est configurée pour que ledit second flux F4 soit prélevé dans ladite source chaude en aval dudit échangeur de chaleur 21. Comme évoqué également ci-dessus, l'invention concerne encore un 25 système thermodynamique mettant en oeuvre le cycle thermodynamique de Rankine, ledit système comprenant l'échangeur de chaleur 21 de ladite installation. Il est à noter que lesdits flux de la source chaude sont à l'état gazeux. Ainsi, les branches 31-35 seront configurées pour contenir de tels flux de fluide gazeux. 30 Autrement dit, lesdites branches 31-35 seront des canalisations, conduits, canaux et/ou tubes, aptes à supporter de tels flux de fluide gazeux. De plus, l'installation de l'invention pourra comprendre, avantageusement, un moyen de ventilation (non illustré ici) pour assurer la circulation desdits flux F1-F6. 3036178 9 Il est à noter aussi que lesdits flux de la source chaude comprennent, par exemple, des fumées. 5 Il est à noter encore que le procédé de l'invention permet d'assurer la sécurité de l'installation le mettant en oeuvre, notamment en abaissant la température desdites fumées. Il est à noter également que le procédé de l'invention permet 10 avantageusement l'utilisation de fluides de travail Fw, appelés communément les fluides de récupération de chaleur, qui ne doivent pas dépasser une certaine température. Il est à noter, d'autre part, que la chambre de combustion de l'installation de 15 l'invention sera avantageusement une chaudière biomasse. REVENDICATIONS1. Procédé de refroidissement d'une source chaude destinée à échanger de la chaleur avec un fluide de travail (Fw) d'un système thermodynamique, notamment un système thermodynamique mettant en oeuvre un cycle de Rankine, ledit système thermodynamique comprenant un échangeur de chaleur (21), ledit procédé comprenant les étapes suivantes une étape d'échange de chaleur entre un flux principal (F2) de ladite source chaude et ledit fluide de travail (Fw), et une étape de mixage d'un premier flux (F1) de ladite source chaude et d'un second flux (F4) de ladite source chaude pour constituer au moins en partie ledit flux principal (F2), ledit second flux (F4) étant prélevé dans ladite source chaude en aval dudit échangeur de chaleur (21). 2. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel lesdits premier (F1) et second flux (F4) de la source chaude sont à l'état gazeux. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, comprenant en outre une étape de séparation dudit flux principal (F3), en aval dudit échangeur (21), de manière à définir au moins ledit second flux (F4) et un troisième flux (F5) de ladite source chaude destiné à être rejeté à l'extérieur. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une étape de filtrage de ladite source chaude après passage à travers ledit échangeur de chaleur (21) et avant mixage desdits premier (F1) et second flux (F4) de la source chaude. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une étape de génération dudit premier flux (F1) de ladite source chaude qui consiste en la combustion, dans une chambre de combustion (10), d'énergie fossile, de biomasse, de matière minérale et/ou de déchets. 3036178 11 6. Installation mettant en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 7. Installation de refroidissement d'une source chaude destinée à échanger de la 5 chaleur avec un fluide de travail (Fw) d'un système thermodynamique, notamment un système thermodynamique mettant en oeuvre un cycle de Rankine, ladite installation comprenant un échangeur de chaleur (21) dudit système thermodynamique, ledit échangeur (21) étant configuré pour permettre un échange de chaleur entre un flux principal (F2) de ladite source 10 chaude et ledit fluide de travail (Fw), ladite installation comprenant en outre des moyens de mixage (51) d'un premier (F1) et d'un second flux (F4) de ladite source chaude de manière à constituer au moins en partie ledit flux principal (F2), ladite installation étant configurée pour que ledit second flux (F4) soit prélevé dans ladite source chaude en aval dudit échangeur de 15 chaleur (21). 8. Installation selon la revendication précédente, comprenant en outre un moyen de filtrage (40) de ladite source chaude, ledit moyen de filtrage (40) étant positionné en sortie dudit échangeur de chaleur (21). 20 9. Installation selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8, comprenant en outre une cheminée d'échappement (60) destinée à évacuer en aval dudit échangeur (21) une fraction (F5) de ladite source chaude.