Brevet FR3044351A1 — publié le 20170602

Système thermodynamique L'invention concerne un système thermodynamique, notamment un système mettant en oeuvre un cycle thermodynamique de Rankine. Il est connu, dans les systèmes mettant en oeuvre un cycle thermodynamique de Rankine, de prévoir une pompe et un condenseur. Ladite pompe a pour fonction de créer une différence de pression au sein du système, et d'assurer la circulation d'un fluide de travail au sein dudit système. Ledit condenseur a, lui, pour fonction de liquéfier le fluide de travail avant qu'il entre en communication avec ladite pompe. De telles pompes sont susceptibles d'être détériorées, notamment par cavitation. Dès lors, une protection de ladite pompe est à prévoir. Le NPSH - net positive suction head en langue anglaise - mesure la différence entre la pression du liquide en un point du système thermodynamique et la pression de vapeur saturante à la température du fluide de travail. La cavitation dans une pompe apparait si la pression du fluide passe localement en-dessous de la pression de vaporisation dudit fluide, donc si le NPSH est trop faible. Pour éviter ce phénomène, il existe des solutions complexes à mettre en oeuvre. Par exemple, il est possible d'augmenter la pression statique (en posant le condenseur à une certaine hauteur par rapport à la pompe) ou de diminuer la vitesse du fluide de travail (qui a une influence sur la pression totale). Un des objectifs de l'invention est d'éviter le phénomène de cavitation d'une pompe destinée à être intégrée dans un système thermodynamique, notamment à l'aide d'une solution simplifiée. Ainsi, l'invention concerne un système thermodynamique, notamment un système mettant en oeuvre un cycle thermodynamique de Rankine, comprenant une boucle de circulation d'un fluide de travail, ladite boucle comprenant une pompe destinée à augmenter la pression dudit fluide de travail lorsqu'il est en phase liquide et un condenseur destiné à condenser ledit fluide de travail en amont de ladite pompe lorsque ledit fluide de travail est en phase gazeuse. 3044351 2 Selon l'invention, ladite boucle comprend en outre un régénérateur, ledit régénérateur étant positionné dans une partie de la boucle configurée pour la circulation du fluide en phase liquide, ledit régénérateur étant configuré pour échanger de l'énergie thermique entre ledit fluide de travail en aval dudit condenseur 5 et ledit fluide de travail en aval de ladite pompe, ledit régénérateur étant destiné à abaisser la température dudit fluide de travail en amont de ladite pompe, ladite boucle comprenant en outre un échangeur de chaleur destiné à abaisser la température dudit fluide de travail en aval dudit régénérateur, ledit échangeur de chaleur étant monté en série entre ledit régénérateur et ladite pompe. 10 L'invention consiste à refroidir le fluide de travail après que celui-ci ait été condensé, notamment pour s'assurer de l'absence de toutes traces de fluide à l'état gazeux avant que celui-ci ne pénètre dans la pompe et n'entraine sa détérioration. L'avantage d'agir sur la température du fluide de travail par sous- 15 refroidissement de celui-ci, en sortie du condenseur, permet de décaler sa pression de vaporisation et donc, de s'affranchir de solutions complexes connues de l'art antérieur, telle que celle de décaler physiquement le condenseur en hauteur par rapport à la pompe afin d'augmenter la pression statique dans le calcul du NPSH de la pompe. 20 Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément : - ledit régénérateur est monté d'une part, entre ledit condenseur et ledit échangeur thermique et d'autre part, entre ladite pompe et un 25 évaporateur, ledit évaporateur étant configuré pour évaporer le fluide de travail lorsqu'il est en phase liquide, - le système de l'invention comprend une boucle de circulation d'un fluide de refroidissement, le condenseur et l'échangeur de chaleur étant parcourus par ledit fluide de refroidissement, 30 - ladite boucle de circulation d'un fluide de refroidissement est configurée, d'une part pour liquéfier le fluide de travail à travers ledit condenseur et, d'autre part pour refroidir ledit fluide de travail à travers ledit échangeur de chaleur, 3044351 3 - le système de l'invention comprend deux boucles de circulation de deux fluides de refroidissement, le condenseur étant parcouru par un desdits deux fluides de refroidissement et l'échangeur de chaleur étant parcouru par l'autre desdits deux fluides de refroidissement, 5 - lesdites boucles de circulation desdits deux fluides de refroidissement sont configurées d'une part pour liquéfier le fluide de travail à travers ledit condenseur et, d'autre part pour refroidir ledit fluide de travail à travers ledit échangeur de chaleur. 10 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 donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins 15 schématiques annexés suivant : - la figure 1 est une représentation schématique d'un mode de réalisation d'un système selon l'invention, - la figure 2 est un diagramme illustrant un exemple de températures des fluides au sein d'un système selon l'invention, notamment celui illustré à 20 la figure 1. L'invention concerne un système thermodynamique 10, notamment un système 10 mettant en oeuvre un cycle thermodynamique de Rankine. Ce système 25 10 comprend une boucle de circulation 21-26 d'un fluide de travail. Ladite boucle comprendra avantageusement un moyen de production d'énergie (non illustré ici). Ledit moyen de production d'énergie comprendra, lui, avantageusement, une turbine. Ladite turbine est destinée à être entrainée par la 30 détente dudit fluide de travail en phase gazeuse. Il est à noter que ledit moyen de production d'énergie pourra avantageusement comprendre un générateur d'énergie électrique couplé à ladite turbine. 3044351 4 Sur la figure 1, ces éléments non illustrés se situent entre les sections 21 et 22 de ladite boucle 21-26. Entre lesdites sections 21 et 22, ladite boucle 21-26 comprendra une 5 première section (non illustré ici), dans laquelle circule le fluide de travail à l'état de vapeur, haute température et haute pression. Cette première section conduit le fluide de travail vers la turbine, à travers laquelle il se détend-, tout en entrainant la turbine dans un mouvement de rotation, mouvement avantageusement transmis au générateur via un arbre de transmission. 10 D'autre part, il est prévu que le fluide de travail quitte ladite turbine et circule dans une seconde section à l'état de vapeur, haute température et basse pression. Cette seconde section est celle qui est repérée 22 sur la figure 1. Ladite seconde section 22 conduit le fluide vers un condenseur 30 qui a pour fonction de condenser 15 ledit fluide. Une fois condensé, ledit fluide de travail circule du condenseur 30, vers une pompe 40, notamment via une première succession de sections 23, 24, 25. Ledit fluide de travail est alors à l'état liquide, basse température et basse pression. Après 20 son passage à travers ladite pompe 40, le fluide de travail est encore à l'état de liquide, basse température mais à haute pression. Il est circulé via une seconde succession de sections 26, 21 en direction d'un évaporateur (non illustré ici) duquel il sort sous forme de vapeur, haute température 25 et haute pression, pour ensuite être dirigé vers la turbine, notamment via la première section non illustrée ici et déjà évoquée ci-dessus. Selon l'invention, ladite boucle 21-26 comprend avantageusement un échangeur de chaleur 50 destiné à abaisser la température dudit fluide de travail en 30 aval dudit condenseur 30, ledit échangeur de chaleur 50 étant monté en série entre ledit condenseur 30 et ladite pompe 40. Comme illustré sur la figure 1, ledit échangeur de chaleur 50 est positionné au niveau de la première succession de sections 23, 24, 25, dans lesquelles ledit fluide de travail est à l'état liquide, basse température et basse pression. Plus 3044351 5 précisément, ledit échangeur de chaleur 50 est positionné entre les sections 24 et 25 ; il permet de diminuer la température dudit fluide de travail, en aval du condenseur 30 et en amont de la pompe 40, par exemple de quelques degrés Celsius. On entend par « quelques degrés Celsius » un chiffre inférieur à 25°C, par 5 exemple un chiffre sensiblement de l'ordre de 5°C. Avantageusement, ledit fluide passe d'abord à travers un régénérateur 60 avant d'être conduit, via la section intermédiaire 24, vers ladite pompe 40. Ainsi, selon l'invention, ladite boucle 21-26 comprend avantageusement un régénérateur 60 positionné dans une partie de la boucle configurée pour la 10 circulation du fluide en phase liquide, entre les sections 23 et 24, mais aussi entre les sections 26 et 21. Ledit régénérateur 60 est configuré pour échanger de l'énergie thermique entre ledit fluide de travail en amont dudit échangeur de chaleur 50 et ledit fluide de travail en aval de ladite pompe 40. L'objectif visé par l'utilisation dudit régénérateur 60 est l'abaissement de la température dudit fluide de travail en amont 15 de la pompe 40, notamment en amont dudit échangeur de chaleur 50, de manière à augmenter le NPSH évoqué en préambule. Dans l'exemple illustré ici, ledit régénérateur 60 est monté entre le condenseur 30 et l'échangeur thermique 50, donc entre les sections 23 et 24. Ainsi, l'échangeur 50 est monté en série entre le régénérateur 60 et la pompe 40. 20 Ledit régénérateur 60 est aussi monté entre ladite pompe 40 et un évaporateur (présenté ci-dessus mais non illustré ici), donc entre les sections 26 et 21 de la figure 1. Ledit régénérateur 60, permet donc d'échanger de l'énergie thermique entre ledit fluide de travail lorsqu'il est en phase liquide en amont de la pompe 40, plus 25 précisément en amont de l'échangeur thermique 50, et ledit fluide de travail lorsqu'il est en phase liquide, en aval de ladite pompe 40. C'est pourquoi ledit régénérateur 60 peut avantageusement être qualifié d'échangeur interne. 30 L'abaissement de la température dans ledit échangeur de chaleur 50 permet d'assurer une différence de température entre les deux côtés du régénérateur 60 pour permettre un échange de chaleur et ainsi abaisser la température du fluide de travail entre la sortie du condenseur 30 et l'entrée de la pompe 40. 3044351 6 Le régénérateur 60 permet de diminuer la température du fluide de travail entre le condenseur 30 et la pompe 40. Cette diminution sera, avantageusement, de l'ordre de quelques degrés Celsius, de préférence de l'ordre de quelques dizaines de degrés Celsius. On entend par « quelques dizaines de degrés Celsius » un nombre 5 compris entre 10°C et 50°C. Ledit régénérateur 60 participe donc à la protection de la pompe en évitant d'autant plus le risque de cavitation de cette dernière. Autrement dit, ledit régénérateur 60 permet d'augmenter ledit NPSH en diminuant encore la température dudit fluide de travail à son entrée. 10 Un avantage du système selon l'invention réside donc dans le fait que le fluide de travail est refroidi avant son entrée dans la pompe 40 de manière à éviter toutes détériorations de celle-ci, notamment par cavitation. 15 D'autre part, le fluide de travail devra être réchauffé après son passage à travers la pompe pour être évaporé. Cela serait contre-productif de le refroidir outre mesure avant son passage dans la pompe 40 pour ensuite devoir le réchauffer jusqu'à évaporation, ce qui n'est pas le cas du sous-refroidissement obtenu, ici, à travers ledit régénérateur 60. 20 A titre d'exemple, dans le cas où le fluide de travail est du Toluène et que sa température est de l'ordre de 65°C en sortie du condenseur 30, notamment dans la section 23 de la figure 1, le système 10 de l'invention sera avantageusement configuré de manière à ce que : 25 ledit Toluène soit refroidit à travers le régénérateur 60 pour être mesuré à sa sortie aux environs de 29°C, notamment dans la section 24 de la figure 1, et de manière à ce que ledit Toluène soit refroidit à travers l'échangeur thermique 50 pour être mesuré à sa sortie aux environs de 26°C, notamment dans la section 25 30 de la figure 1. La pompe 40 permettra ensuite de comprimer ledit Toluène, par exemple à 15bar, et le régénérateur 60 permettra ensuite de le réchauffer jusqu'à environ 63,4°C. 3044351 7 Il est à noter, d'autre part, que le condenseur 30 est en lien avec un premier circuit de refroidissement 71-73 qui comprend au moins une source froide (non illustrée ici) ; ledit circuit de refroidissement 71-73 est avantageusement un circuit 5 externe à la boucle 21-26. Il est à noter, également, que l'échangeur de chaleur 50 est aussi en lien avec un circuit de refroidissement, circuit qui pourra être indépendant dudit premier circuit de refroidissement 71-73 (cas de figure non illustré ici). Ici, le condenseur 30 et l'échangeur de chaleur 50 sont parcourus par un 10 même fluide de refroidissement. Autrement dit, le condenseur 30 et l'échangeur de chaleur 50 sont avantageusement en lien avec un même circuit de refroidissement 71-73. Ladite boucle de circulation 71-73 d'un fluide de refroidissement est donc ici configurée, d'une part pour liquéfier le fluide de travail à travers ledit condenseur 30 15 et, d'autre part pour refroidir ledit fluide de travail à travers ledit échangeur de chaleur 50. Ladite boucle de circulation 71-73, unique, permet de simplifier l'intégration du système 10 de l'invention, par exemple sur site. La figure 2 illustre un exemple de températures mesurées, dans le cadre de 20 l'exemple du système de la figure 1, pour le fluide de travail d'une part, et pour le fluide de refroidissement d'autre part, notamment dans le cas où le condenseur 30 et l'échangeur de chaleur 50 sont parcourus par un même fluide de refroidissement. Cette figure 2 comporte une première courbe Cl qui représente l'évolution de la température du fluide de travail au sein du système thermodynamique de 25 l'invention. On constate, sur cette courbe Cl, les effets sur la température du fluide de travail : du condenseur 30, à savoir une chute de quelques degrés Celsius, du régénérateur 60 en amont de la pompe 40, à savoir une chute d'environ 30 degrés Celsius, 30 de l'échangeur de chaleur 50, aussi en amont de la pompe 40, à savoir une chute de quelques degrés Celsius, du régénérateur 60 en aval de la pompe 40, à savoir une augmentation d'environ 30 degrés Celsius. 3044351 8 La figure 2 comporte aussi une seconde courbe C2 qui représente l'évolution de la température d'un dit fluide de refroidissement au sein de la boucle de refroidissement 71-73 illustré à la figure 1. On constate, sur cette courbe C2, les variations de la température dudit fluide de refroidissement : 5 - à travers le condenseur 30, à savoir une augmentation d'environ 20 degrés Celsius, qui correspond à l'énergie thermique concédée par le fluide de travail, et - à travers l'échangeur de chaleur 50, à savoir une augmentation de quelques degrés Celsius, qui correspond aussi à l'énergie thermique 10 concédée par le fluide de travail. Le système 10 de l'invention permet donc de privilégier une hauteur thermique plutôt qu'une hauteur géométrique de pression, notamment pour faire 15 augmenter le NPSH de la pompe 40. Le système 10 de l'invention propose donc une solution aisée à mettre en place, sur site par exemple. A contrario, privilégier u.ne hauteur géométrique de pression pour faire augmenter le NPSH de la pompe 40 entraine des fortes 20 contraintes d'intégration ; par exemple des contraintes d'enterrement de la pompe sur plusieurs mètre, voire des contraintes de surélévation du condenseur par rapport à la pompe. REVENDICATIONS1. Système thermodynamique (10), notamment système mettant en oeuvre un cycle thermodynamique de Rankine, comprenant une boucle de circulation (21-26) d'un fluide de travail, ladite boucle (21-26) comprenant une pompe (40) destinée à augmenter la pression dudit fluide de travail lorsqu'il est en phase liquide et un condenseur (30) destiné à condenser ledit fluide de travail en amont de ladite pompe (40) lorsque ledit fluide de travail est en phase gazeuse, ladite boucle (21-26) comprenant en outre un régénérateur (60), ledit régénérateur (60) étant positionné dans une partie de la boucle (23-24 ; 26-21) configurée pour la circulation du fluide en phase liquide, ledit régénérateur (60) étant configuré pour échanger de l'énergie thermique entre ledit fluide de travail en aval dudit condenseur (30) et ledit fluide de travail en aval de ladite pompe (40), ledit régénérateur (60) étant destiné à abaisser la température dudit fluide de travail en amont de ladite pompe (40), ladite boucle (21-26) comprenant en outre un échangeur de chaleur (50) destiné à abaisser la température dudit fluide de travail en aval dudit régénérateur (60), ledit échangeur de chaleur (50) étant monté en série entre ledit régénérateur (60) et ladite pompe (40). 2. Système (10) selon la revendication précédente, dans lequel ledit régénérateur (60) est monté d'une part, entre ledit condenseur (30) et ledit échangeur thermique (50) et d'autre part, entre ladite pompe (40) et un évaporateur, ledit évaporateur étant configuré pour évaporer le fluide de travail lorsqu'il est en phase liquide. 3. Système (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une boucle de circulation d'un fluide de refroidissement (71-73), le condenseur (30) et l'échangeur de chaleur (50) étant parcouru par ledit fluide de refroidissement. 4. Système (10) selon la revendication précédente, dans lequel ladite boucle de circulation dudit fluide de refroidissement (71-73) est configurée d'une part 3044351 10 pour liquéfier le fluide de travail à travers ledit condenseur (30) et, d'autre part pour refroidir ledit fluide de travail à travers ledit échangeur de chaleur (50). 5. Système (10) selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, comprenant 5 deux boucles de circulation de deux fluides de refroidissement, le condenseur (30) étant parcouru par un desdits deux fluides de refroidissement et l'échangeur de chaleur (50) étant parcouru par l'autre desdits deux fluides de refroidissement. 10 6. Système (10) selon la revendication précédente, dans lequel lesdites boucles de circulation desdits deux fluides de refroidissement sont configurées d'une part pour liquéfier le fluide de travail à travers ledit condenseur (30) et, d'autre part pour refroidir ledit fluide de travail à travers ledit échangeur de chaleur (50). 15