Brevet FR3044350A1 — publié le 20170602

Dispositif d'exploitation de l'énergie cinétique d'un flux gazeux L'invention concerne un dispositif d'exploitation de l'énergie cinétique d'un flux gazeux. Les moyens de conversion d'énergie connus, tels que des turbines à vapeur qui transforment la détente d'un flux gazeux en énergie mécanique, sont d'autant plus onéreux que le flux gazeux arrive à leur entrée à haute pression et à faible débit. II est en effet plus économique de prévoir de tels moyens de conversion d'énergie en collaboration avec un flux gazeux présentant une basse pression et un fort débit. Un des objectifs de l'invention est de proposer la transformation d'un flux gazeux à haute pression et faible débit en un flux gazeux à basse pression et fort débit pour injection dans un moyen de conversion d'énergie cinétique qui est de conception simple. Ainsi l'invention concerne un dispositif d'exploitation de l'énergie cinétique d'un flux gazeux, ledit dispositif comprenant un moyen de conversion d'énergie, un premier réseau configuré pour alimenter ledit moyen de conversion avec ledit flux gazeux, et un second réseau configuré pour récupérer le flux gazeux en aval dudit moyen de conversion. Selon l'invention, ledit premier réseau est configuré pour être alimenté par un flux incident et par un flux recirculé provenant dudit second réseau, ledit flux incident présentant une pression supérieure à celle dudit flux recirculé. Le flux recirculé récupéré en aval du moyen de conversion est à basse pression, suite à la détente procurée par le moyen de conversion. Comme il est prélevé au sein d'un flux qui est lui-même l'addition du flux incident et d'un flux déjà recirculé, il présente avantageusement un fort débit, en tout cas un débit avantageusement plus élevé que celui du flux incident. Le flux incident présente une pression élevée qui pourra entrainer le flux recirculé. Le mixage dudit flux recirculé et dudit flux incident permet de la sorte de former un flux gazeux à fort débit et basse 3044350 2 pression, ce qui est particulièrement avantageux en cas d'utilisation avec un moyen de conversion d'énergie cinétique de conception simple. Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris 5 ensemble ou séparément : - le dispositif de l'invention comprend une canalisation reliant une sortie à une entrée dudit flux gazeux dudit moyen de conversion, le dispositif de l'invention comprend en outre un moyen d'accélération, ledit moyen d'accélération étant configuré pour entrainer ledit flux 10 recirculé à l'aide dudit flux incident, ledit moyen d'accélération est positionné dans ladite canalisation, - ledit moyen d'accélération est apte à créer un effet d'aspiration dudit flux recirculé au sein de ladite canalisation, sous l'effet de l'introduction dudit flux incident dans ladite canalisation, 15 ledit moyen d'accélération est un moyen d'injection de gaz à haute pression, ledit moyen d'accélération comprend des buses d'injection droites, ledit moyen d'accélération comprend des buses d'injection inclinées, le dispositif de l'invention comprend en outre un moyen de redressement 20 de flux configuré pour redresser ledit flux gazeux, - ledit moyen de redressement est positionné dans ledit premier réseau, notamment en aval dudit moyen d'accélération, - ledit dispositif comprend en outre un ventilateur configuré pour entrainer ledit flux recirculé, 25 - ledit ventilateur est positionné dans ladite canalisation, notamment en amont dudit moyen d'accélération, - ledit moyen de conversion est une turbine. L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et 30 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 schématiques annexés suivants : 3044350 3 la figure 1 illustre, schématiquement, un premier exemple de réalisation d'un dispositif d'exploitation de l'énergie cinétique d'un flux gazeux selon l'invention, la figure 2 illustre, schématiquement, un second exemple de réalisation 5 d'un dispositif selon l'invention, la figure 3 illustre, schématiquement, un exemple de volute de turbine destinée à un dispositif selon l'invention. 10 Comme illustré sur les figures 1 et 2, l'invention concerne un dispositif d'exploitation de l'énergie cinétique 10 d'un flux gazeux. Ce flux gazeux est repéré F1 sur lesdites figures. Ce flux gazeux F1 pourra être de la vapeur d'eau, ou tout fluide à l'état gazeux, par exemple du gaz naturel. 15 Ledit dispositif 10 comprend un moyen de conversion d'énergie 21. On entend par « moyen de conversion d'énergie 21 », un consommateur de flux gazeux, ou encore, un moyen de transformation d'un flux gazeux en énergie mécanique. Ici, ledit moyen de conversion 21 est une turbine 21, par exemple une turbine à action mono-étagée. Cette turbine 21 pourra avantageusement prendre toutes les formes 20 de turbines à basse différence de pression. Cette turbine 21 appartient à un moyen de production d'énergie 20 qui comprend, avantageusement, un générateur d'énergie électrique 22 couplé à ladite turbine 21. Ladite turbine 21 est notamment destinée à être entrainée par la détente dudit fluide de travail à l'état gazeux. 25 Le dispositif 10 de l'invention comprend un premier réseau R1 configuré pour alimenter ladite turbine 21 avec ledit flux gazeux F1, et un second réseau R2 configuré pour récupérer le flux gazeux F2 en aval de ladite turbine 21. On entend par « réseau » un ensemble de canalisations aptes à la circulation 30 d'un flux gazeux. Ledit flux gazeux F2, après détente dans la turbine 21, est un fluide à basse pression qui circule à faible vitesse dans le second réseau R2. 3044350 4 Selon l'invention, le premier réseau R1 est configuré pour être alimenté par un flux incident F4 et par un flux recirculé F3 provenant dudit second réseau R2, ledit flux incident F4 présentant une pression supérieure à celle dudit flux recirculé F3. On entend par « flux incident » un flux F4 de gaz à haute pression et faible 5 débit qui est injecté dans ledit premier réseau R1 par des buses 31. Ledit flux incident F4 quitte lesdites buses 31 à très haute vitesse., Autrement dit, ledit flux incident F4 vient perturber le flux recirculé F3, notamment de manière à accélérer ledit flux recirculé F3. 10 On entend par « flux recirculé » un flux gazeux F3 qui circule au sein d'une canalisation R3 reliant une sortie S à une entrée E dudit flux gazeux de ladite turbine 21. Autrement dit, le flux recirculé F3 est un flux dérivé du flux gazeux F2 en aval de ladite turbine 21. Encore autrement dit, ledit flux recirculé F3 provient du flux gazeux F2 en aval de ladite turbine 21 ; il circule donc, dans la canalisation R3, à faible 15 pression et faible vitesse. Les buses 31 évoquées ci-dessus appartiennent à un moyen d'accélération 30. Ce moyen d'accélération 30 est positionné dans ladite canalisation R3, notamment de manière à créer un effet d'aspiration dudit flux recirculé F3 au sein de 20 ladite canalisation R3. Cet effet d'aspiration permet d'assurer la dérivation d'une quantité importante du flux gazeux F2 en aval de ladite turbine 21. Cela présente l'avantage d'assurer un débit élevé pour le flux recirculé F3 dans ladite canalisation R3. Cet effet d'aspiration est schématisé, sur les figures 1 et 2, par la flèche 25 désignant un flux F3' en amont d'un dit moyen d'accélération 30. Autrement dit, l'aspiration créée par les buses 31 attire le flux gazeux, ou flux recirculé F3, dans la canalisation R3 de manière à en dériver une quantité importante. 30 La canalisation R3 devient ledit « premier réseau R1 » en aval dudit moyen d'accélération 30. Ledit premier réseau R1 est, avantageusement, une zone de mixage de flux gazeux, notamment entre le flux recirculé F3 et le flux incident F4 ; c'est ainsi qu'est généré le flux gazeux F1 destiné à l'admission de ladite turbine 21. 3044350 5 Le mixage dudit flux recirculé F3 et dudit flux incident F4 permet de former un flux gazeux F1 à fort débit et basse pression, ce qui est particulièrement avantageux en cas d'utilisation avec une turbine 21 de conception simple, par 5 exemple la turbine à action mono-étagée évoquée ci-dessus. D'autre part, le flux gazeux F1 arrive, avantageusement, au niveau de l'admission de ladite turbine 21, avec une vitesse élevée du fait de son entrainement par un flux F4 injecté à haute pression. Autrement dit, le dispositif 10 de l'invention permet de transformer un flux 10 incident F4 à haute pression en un flux gazeux F1 à haut débit. Encore autrement dit, le flux incident F4 est un flux de petit débit qui met en mouvement un flux recirculé F3 de plus grand débit. Il est à noter que lesdites buses d'injection 31 pourront avantageusement 15 être droites ou inclinées (détails des buses non illustrées ici) de manière à optimiser l'entrainement dudit flux gazeux F1. L'entrainement du flux gazeux F1 pourra encore être optimisé par un moyen de redressement de flux 40. La figure 2 illustre un exemple de positionnement d'un 20 tel redresseur de flux 40 en aval d'au moins un moyen d'accélération 30, au sein de la canalisation R3. On entend par « redresseur de flux » un ensemble de pales (non détaillées dans les illustrations ici), dirigées radialement par rapport à la direction d'extension longitudinale principale dudit premier réseau R1 ; lesdites pales peuvent être, 25 avantageusement, sensiblement parallèles entre elles et au sens d'écoulement principal dudit flux gazeux F1, voire sensiblement inclinées par rapport audit sens d'écoulement dudit flux gazeux F1. Un tel moyen de redressement 30 sera avantageusement positionné au sein 30 du premier réseau R1, notamment en aval d'au moins un moyen d'accélération 30. Dans un mode de réalisation non illustré ici, un tel moyen de redressement 30 est positionné en amont dudit moyen d'accélération 30. Cette configuration est 3044350 6 alors particulièrement avantageuse pour vriller le flux recirculé F3 avant que ce dernier n'entre en contact avec le flux incident F4. Autrement dit, le dispositif 10 de l'invention comprend une boucle de 5 recirculation (la canalisation R3), qui elle-même porte un éjecteur de vapeur (un dit moyen d'accélération 30), un redresseur de vapeur (un dit moyen de redressement 40) et un diffuseur de vapeur (par exemple un déflecteur non illustré ici). Comme illustré sur la figure 2, il est particulièrement avantageux de prévoir 10 plusieurs étages d'accélération 30, 30' couplés chacun à un moyen de redressement de flux 40, 40' de manière à encore optimiser l'entrainement dudit flux gazeux F1. Cela permet d'accélérer séquentiellement le flux gazeux F1, notamment par plusieurs moyens d'accélérations 30, 30' placés les uns après les autres, au sein d'une même zone de mixage dit, ici, premier réseau R1. 15 La figure 3 illustre une possibilité particulière avantageuse d'optimiser encore l'accélération d'un flux recirculé afin de l'amener au niveau de l'admission de la turbine 21, c'est-à-dire au niveau de sa volute 23, à une vitesse particulièrement élevée. Dans cet exemple de réalisation, la volute 23 récupère plusieurs flux 20 accélérés F1 provenant de plusieurs « premier réseau R1 » montés en parallèles, chacun d'eux comprenant un moyen d'accélération 30, 30', 30", 30", 30" tel que décrit ci-dessus. Il est à noter que le ou les flux incidents F4 proviennent d'une boucle haute 25 pression, ladite boucle haute pression étant, de préférence, distincte desdits premier et second réseaux R1, R2 évoqués ci-dessus. D'autre part, le dispositif de l'invention pourra avantageusement comprendre au moins un ventilateur (non illustré ici) configuré pour entrainer ledit flux recirculé, 30 ledit ventilateur étant positionné dans ladite canalisation R3, en amont d'un dit moyen d'accélération 30. Ledit ventilateur est destiné à pré-accélérer le flux recirculé F3, notamment avant son mixage avec le flux incident F4. Ledit ventilateur pourra avantageusement être couplé à l'axe de la turbine 21. Autrement dit, le ventilateur pourra être entrainé par la turbine 21. 3044350 7 Il est à noter, à titre de précision que le flux gazeux F1 circule à l'état de vapeur, haute température et haute pression à travers le premier réseau R1, vers la turbine 21, à travers laquelle il se détend, tout en entrainant la turbine 21 dans un 5 mouvement de rotation, mouvement avantageusement transmis au générateur 22 via un arbre de transmission. Ledit générateur 22 est avantageusement un générateur électromagnétique. Il comprend un stator et un rotor, notamment électromagnétiques. 10 Il est à noter aussi que le fluide de travail quitte ladite turbine 21 et circule à l'état de vapeur, haute température et basse pression sous la forme du flux référencé F2 sur la figure 1. Ledit flux F2 pourra avantageusement être conduit vers un composant fonctionnant à relative basse pression, par exemple un condenseur qui a pour fonction de condenser totalement ledit fluide. 15 Il est à noter également que le dispositif 10 décrit ci-dessus trouvera une application particulière pour des détentes de flux gazeux non utilisés, comme les détentes de gaz naturel ou de vapeur de chaudière industrielle. Le dispositif de l'invention présente l'avantage de permettre l'utilisation de 20 détentes de flux gazeux à faible débit et différence de pressions élevée. En effet, ce type de flux est conventionnellement plus difficile à exploiter car entraînant des vitesses de rotation élevées. Il est aussi à noter encore que des variantes de réalisation sont bien sûr 25 possibles. Notamment il est aussi envisageable, dans un exemple de réalisation non illustré ici, que les modes de réalisation des figures 2 et 3 soient combinés de manière à additionner leurs avantages, voire à en obtenir de nouveaux. REVENDICATIONS1. Dispositif (10) d'exploitation de l'énergie cinétique d'un flux gazeux (F1), ledit dispositif (10) comprenant un moyen de conversion d'énergie (21), un premier réseau (R1) configuré pour alimenter ledit moyen de conversion (21) avec ledit flux gazeux (F1), et un second réseau (R2) configuré pour récupérer le flux gazeux (F2) en aval dudit moyen de conversion (21), caractérisé par le fait que ledit premier réseau (R1) est configuré pour être alimenté par un flux incident (F4) et par un flux recirculé (F3) provenant dudit second réseau (R2), ledit flux incident (F4) présentant une pression supérieure à celle dudit flux recirculé (F3). 2. Dispositif (10) selon la revendication précédente, comprenant une canalisation (R3) reliant une sortie (S) à une entrée (E) dudit flux gazeux (F1) dudit moyen de conversion (F1). 3. Dispositif (10) selon la revendication précédente, comprenant en outre un moyen d'accélération (30), ledit moyen d'accélération (30) étant configuré pour entrainer ledit flux recirculé (F3) à l'aide dudit flux incident (F4). 4. Dispositif (10) selon la revendication précédente, dans lequel ledit moyen d'accélération (30) est apte à créer un effet d'aspiration dudit flux recirculé (F3) au sein de ladite canalisation (R3), sous l'effet de l'introduction dudit flux incident (F4) dans ladite canalisation (R3). 5. Dispositif (10) selon la revendication précédente, dans lequel ledit moyen d'accélération (30) est un moyen d'injection de gaz à haute pression. 6. Dispositif (10) selon la revendication précédente, dans lequel ledit moyen d'accélération (30) comprend des buses d'injection (31) droites. 7. Dispositif (10) selon la revendication 5, dans lequel ledit moyen d'accélération (30) comprend des buses d'injection (31) inclinées. 3044350 9 8. Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, comprenant en outre un moyen de redressement de flux (40) configuré pour redresser ledit flux gazeux (F1). 5 9. Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, comprenant en outre un ventilateur configuré pour entrainer ledit flux recirculé (F3). 10. Dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans 10 lequel ledit moyen de conversion (21) est une turbine.