Brevet FR3055149A1 — publié le 20180223

La présente invention se rapporte à un circuit fermé fonctionnant selon un cycle de Rankine avec un dispositif pour l'arrêt d'urgence de ce circuit ainsi qu'à un procédé utilisant un circuit avec un tel dispositif. Comme cela est largement connu, le cycle de Rankine est un cycle thermodynamique par lequel de la chaleur provenant d'une source de chaleur externe est transmise à un circuit fermé qui contient un fluide de travail. Au cours du cycle, le fluide de travail subit des changements de phase (liquide/vapeur). Ce type de cycle se décompose généralement en une étape durant laquelle le fluide de travail utilisé sous forme liquide, est comprimé de manière isentropique, suivie d'une étape où ce fluide liquide comprimé est chauffé et vaporisé au contact d'une source de chaleur. Cette vapeur est ensuite détendue, au cours d'une autre étape, dans une machine de détente, puis, dans une dernière étape, cette vapeur détendue est refroidie et condensée au contact d'une source froide. Pour réaliser ces différentes étapes, le circuit comprend au moins une pompe-compresseur pour faire circuler et comprimer le fluide sous forme liquide, un évaporateur qui est balayé par un fluide chaud pour réaliser la vaporisation au moins partielle du fluide comprimé, une machine de détente pour détendre la vapeur, telle qu'une turbine, qui transforme l'énergie de cette vapeur en une autre énergie, comme une énergie mécanique ou électrique, et un condenseur grâce auquel la chaleur contenue dans la vapeur est cédée à une source froide, généralement de l'air extérieur, ou encore un circuit d'eau de refroidissement, qui balaye ce condenseur, pour transformer cette vapeur en un fluide sous forme liquide. Dans ce type de circuit, le fluide utilisé est généralement de l'eau mais d'autres types de fluide, par exemple des fluides organiques ou des mélanges de fluides organiques, peuvent également être utilisés. Le cycle est alors appelé Cycle de Rankine Organique ou ORC (Organic Rankine Cycle). 3055149 2 A titre d'exemple, les fluides de travail peuvent être du butane, de l'éthanol, des hydrofluorocarbures, de l'ammoniac, du dioxyde de carbone... Comme cela est bien connu, le fluide chaud pour réaliser la vaporisation du 5 fluide comprimé peut provenir de sources chaudes variées, telles qu'un liquide de refroidissement (d'un moteur à combustion, d'un processus industriel, d'un four, etc.), des gaz chauds résultant d'une combustion (fumées d'un processus industriel, d'une chaudière, gaz d'échappement d'un moteur à combustion ou d'une turbine, etc.), d'un flux de chaleur issu de capteurs solaires thermiques, etc. 10 Plus particulièrement, il est connu, notamment par le document FR 2 884 555, d'utiliser l'énergie calorifique véhiculée par les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, en particulier celui utilisé pour des véhicules automobiles, comme source chaude pour assurer le chauffage et la vaporisation 15 du fluide traversant l'évaporateur. Ceci permet d'améliorer l'efficacité énergétique de ce moteur en récupérant une grande partie de l'énergie perdue à l'échappement pour la transformer en une énergie qui peut être utilisée pour le véhicule automobile au travers du circuit à cycle de Rankine. 20 Le circuit à cycle de Rankine permet ainsi d'améliorer le rendement du moteur. Dans ce type de circuit, en cas de survenance d'un problème, qu'il soit externe au circuit fermé ou interne à ce dernier, il peut s'avérer nécessaire de 25 procéder à un arrêt d'urgence du circuit de manière à ce qu'il ne produise plus d'énergie. Pour ce faire, il est usuel d'utiliser un ou deux court-circuits avec des vannes de court-circuit permettant, l'une de court-circuiter l'arrivée de fluide chaud dans l'évaporateur et l'autre de court-circuiter le passage du fluide de travail vaporisé 30 dans la machine de détente. L'utilisation d'une configuration avec un simple court-circuit de l'évaporateur présente un inconvénient. 3055149 3 En effet, compte tenu des inerties thermiques du circuit et notamment celle de l'évaporateur, la présence de fluide de travail à l'état liquide dans au moins une partie de cet évaporateur ou plus loin dans le circuit conduit à la production de vapeur pendant encore plusieurs dizaines de secondes après l'activation de l'arrêt 5 d'urgence. En outre, la présence de vapeur de fluide de travail sous pression persiste en amont de la machine de détente. On ne parvient donc pas à stopper rapidement (c'est-à-dire en quelques secondes) la production d'énergie en sortie de la machine de détente. 10 La deuxième vanne permet alors de dériver la vapeur de fluide de travail présente en amont de la machine de détente directement vers l'aval de cette machine. La machine de détente étant ainsi court-circuitée, le circuit n'est plus en mesure de produire de l'énergie et la production d'énergie stoppe rapidement. 15 Cependant, cette deuxième vanne est située dans une branche du circuit où le fluide de travail est à la fois sous pression, chaud et sous forme gazeuse. Elle doit donc être choisie en conséquence avec des matériaux résistant à la température et à la pression et avec une taille, notamment au niveau de sa section 20 de passage, adaptée pour laisser passer le flux de vapeur en cas de sa mise en action. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients ci-dessus en proposant un circuit fermé avec un dispositif qui permet d'éviter, en cas d'arrêt 25 d'urgence de ce circuit, l'afflux de fluide travail vaporisé à l'entrée de la machine de détente. A cet effet, l'invention concerne un circuit fermé fonctionnant selon un cycle de Rankine, ledit circuit comprenant au moins une pompe de circulation et de 30 compression avec une entrée et une sortie d'un fluide de travail sous forme liquide, un échangeur de chaleur balayé par une source chaude pour l'évaporation dudit fluide circulant entre une entrée et une sortie dudit échangeur de chaleur, des moyens de détente du fluide sous forme vapeur, un échangeur de refroidissement balayé par une source froide pour la condensation du fluide de 3055149 4 travail circulant entre une entrée et une sortie dudit échangeur de refroidissement, un réservoir de fluide de travail, et des conduites de circulation du fluide de travail pour faire circuler ledit fluide entre la pompe, l'échangeur de chaleur, les moyens de détente, le condenseur et le réservoir, caractérisé en ce que le circuit 5 comprend un dispositif de vidange du fluide contenu dans l'échangeur de chaleur. Le dispositif de vidange peut comprendre un conduit de vidange relié à deux points de liaison du circuit et portant un moyen de vannage. 10 Le moyen de vannage peut être une vanne à deux voies placée sur le conduit entre les deux points de liaison. Le moyen de vannage peut être une vanne à trois voies placée sur l'un des points de liaison avec le circuit. 15 Le moyen de vannage peut être une électrovanne L'un des points de liaison peut être placé entre la pompe et l'échangeur de chaleur et l'autre des points de liaison peut être placé entre l'échangeur de 20 refroidissement et la pompe. Le circuit peut comprendre un dispositif de court-circuit de la source chaude traversant l'échangeur de chaleur. 25 L'invention concerne également un procédé de contrôle d'un circuit fermé fonctionnant selon un cycle de Rankine, ledit circuit comprenant au moins une pompe de circulation et de compression avec un entrée et une sortie d'un fluide de travail sous forme liquide, un échangeur de chaleur balayé par une source chaude pour l'évaporation dudit fluide circulant entre une entrée et une sortie dudit 30 échangeur de chaleur, des moyens de détente du fluide sous forme vapeur, un échangeur de refroidissement balayé par une source froide pour la condensation du fluide de travail circulant entre une entrée et une sortie dudit échangeur de refroidissement, un réservoir de fluide de travail, et des conduites de circulation du fluide de travail pour faire circuler ledit fluide entre la pompe, l'échangeur de 3055149 5 chaleur, les moyens de détente, le condenseur et le réservoir, caractérisé en ce que, en cas d'arrêt d'urgence du circuit, on transfère le fluide contenu dans l'échangeur de chaleur vers la partie du circuit entre l'amont de la pompe et le réservoir. 5 On peut transférer le fluide contenu dans l'échangeur de chaleur vers le réservoir. On peut transférer le fluide contenu dans l'échangeur de chaleur vers la 10 conduite reliant l'amont de la pompe et le réservoir. On peut contrôler la circulation du fluide de travail dans le conduit de vidange par un moyen de vannage. 15 On peut court-circuiter la circulation de la source chaude pour qu'elle contourne l'échangeur de chaleur Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non 20 limitatif, et à laquelle sont annexées : - la figure 1 qui illustre un circuit fermé fonctionnant selon un cycle de Rankine selon l'invention et - la figure 2 qui montre une variante du circuit fermé fonctionnant selon un cycle de Rankine de la figure 1. 25 Les figures 1 et 2 illustrent un exemple de réalisation d'un circuit fermé à cycle de Rankine 10 qui est avantageusement de type ORC (Organic Rankine Cycle) et qui utilise un fluide de travail organique ou des mélanges de fluides organiques, comme du butane, de l'éthanol, des hydrofluorocarbures... 30 Il est bien entendu que le circuit fermé peut également fonctionner avec un fluide comme de l'ammoniac, de l'eau, du dioxyde de carbone... 3055149 6 Ce circuit comprend une pompe de circulation et de compression 12 du fluide de travail, dénommée pompe de circulation dans la suite de la description, avec une entrée 14 du fluide de travail sous forme liquide et une sortie 16 de ce fluide de travail également sous forme liquide mais comprimé sous une pression élevée. 5 Cette pompe est avantageusement entraînée en rotation par tous moyens; comme un moteur électrique (non représenté). Ce circuit comporte aussi un échangeur de chaleur 18, dénommé évaporateur, traversé par le fluide de travail comprimé entre une entrée 20 de ce 10 fluide liquide et une sortie 22 au travers de laquelle le fluide de travail ressort de cet évaporateur sous forme de vapeur comprimée. Cet évaporateur est également parcouru par une source chaude 23, sous forme liquide ou gazeuse, transportée par un tuyau 24 entre une entrée 25a et une sortie 25b de manière à pouvoir céder sa chaleur au fluide de travail. 15 Cette source chaude peut par exemple provenir des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, du fluide de refroidissement d'un moteur à combustion interne, du fluide de refroidissement d'un four industriel, ou du fluide caloporteur chauffé dans des installations thermiques ou par un brûleur. 20 Ce circuit comporte également une machine de détente 26 recevant par son entrée 28 le fluide de travail sous forme de vapeur comprimée à haute pression, ce fluide ressortant par la sortie 30 de cette machine sous forme de vapeur détendue à basse pression. Avantageusement, cette machine de détente est sous la forme d'une turbine 25 de détente dont l'arbre du rotor est entraîné en rotation par le fluide de travail sous forme de vapeur en commandant en rotation un arbre de liaison 32. De manière préférentielle, cet arbre permet de transmettre l'énergie récupérée du fluide de travail à tout dispositif transformateur, comme par exemple une génératrice électrique (non représentée). 30 Le circuit comporte encore un échangeur de refroidissement 34, ou condenseur, avec une entrée 36 pour la vapeur basse pression détendue et une sortie 38 pour le fluide de travail basse pression transformé sous forme liquide après son passage dans ce condenseur. 3055149 7 Ce condenseur est balayé par une source froide, généralement un flux d'air ambiant ou d'eau de refroidissement, de manière à refroidir la vapeur détendue pour qu'elle se condense et se transforme en un liquide. Bien entendu, toute autre source froide de refroidissement, comme un autre 5 liquide de refroidissement ou de l'air froid, peut être utilisée pour assurer la condensation de la vapeur. Ce circuit comporte également, entre le condenseur et la pompe de circulation, un réservoir fermé 40 qui permet de conserver le fluide de travail à 10 l'état liquide. Avantageusement, le circuit comprend un clapet anti retour 42 placé au voisinage de la sortie 16 de la pompe 12 et un filtre (non représenté), comme un filtre à cartouche, pour filtrer le fluide de travail sortant du réservoir avant son introduction dans la pompe. 15 Bien entendu, les différents éléments du circuit sont reliés entre eux par des conduites de circulation de fluide 44, 46, 48, 50, 52, 54, permettant de relier successivement la pompe avec le clapet (conduite clapet 44), le clapet avec l'évaporateur (conduite d'évaporateur 46), l'évaporateur avec la turbine (conduite 20 de turbine 48), cette turbine avec le condenseur (conduite de condenseur 50), le condenseur avec le réservoir (conduite de réservoir 52), le réservoir à la pompe (conduite de pompe 54) pour que le fluide de travail circule selon un sens horaire comme indiqué sur les figures par les flèches F. 25 Ce circuit comprend en outre un dispositif de vidange 56 du fluide contenu dans l'échangeur de chaleur 18, qui permet, en cas d'arrêt d'urgence du circuit, de transférer le liquide sous pression contenu dans cet échangeur vers le réservoir ou vers la partie du circuit située entre ce réservoir et l'amont de la pompe. 30 A titre d'exemple illustré sur la figure, ce dispositif de vidange 56 comprend un conduit de vidange 58 qui prend naissance en un point de liaison 60 du circuit en amont de l'évaporeur et en aval de la pompe (en considérant le sens de circulation du fluide travail selon les flèches F) sur la conduite ou 46 où le fluide est sous forme liquide et aboutit à un autre point de liaison 62 de ce circuit en 3055149 8 amont de la pompe et en aval du condenseur sur une des conduites 52 ou 54 où le fluide est également sous forme liquide. Plus précisément et comme mieux illustré sur les figures, ce conduit prend 5 naissance en un point 60 du circuit entre le clapet anti-retour 42 et l'entrée 20 de l'évaporateur et aboutit en un point 62 du circuit placé entre la sortie du réservoir 40 et l'entrée 14 de la pompe 12. Dans l'exemple des figures, un moyen de vannage 64 permet de contrôler la 10 circulation du fluide de travail sous forme liquide qui circule dans ce conduit. Ce moyen de vannage est une vanne à deux voies 66 dans le cas de la figure 1 et est située sur le conduit 58 à distance des deux points de liaison. Tel qu'illustré sur la figure 2, le moyen de vannage 64 est une vanne à trois voies 68 qui est placée sur le point de liaison 60 avec la conduite 46. 15 Ces deux types de vannes peuvent être commandés par tous moyens connus, tels que des moyens électriques, pneumatique, hydraulique, etc. Avantageusement ces vannes peuvent également être des électrovannes, en 20 particulier des électrovannes à solénoïde. Ainsi, ce conduit de vidange et la vanne qui contrôle sa mise en action ne sont soumis qu'à une température modérée. Le choix des matériaux pour cette vanne est donc moins contraignant. 25 De plus, le fait que le dispositif de vidange 56 soit prévu pour faire passer le fluide de travail à l'état liquide entre les conduites 46 et 62 permet d'avoir recours à une vanne de taille plus petite que dans les architectures habituelles, ce qui permet de réduire son coût et son encombrement. 30 Avantageusement mais non obligatoirement, un dispositif de court-circuit 70 de la source chaude 24 qui traverse l'évaporateur 18 (illustré en traits pointillés sur les figures) peut être placé sur le trajet de cette source de manière à ce qu'elle contourne cet évaporateur. A titre d'exemple, ce dispositif comprend une canalisation 72 de contournement de l'évaporateur située entre l'entrée 25a de la 3055149 9 source chaude de l'évaporateur et sa sortie 25b. Cette canalisation porte un moyen de vannage 74, ici une vanne trois voies, qui est placé sur le tuyau 24 en amont de l'évaporateur et à la jonction avec la canalisation 72 en permettant ainsi de contrôler la circulation de la source chaude dans cette canalisation de 5 contournement. Bien entendu, comme pour le moyen de vannage 64, cette vanne peut être commandée par tous moyens connus, tels que des moyens électriques, pneumatiques, hydrauliques, etc. 10 En cas d'activation de la procédure d'arrêt d'urgence, l'unité de contrôle du circuit, que possède habituellement tout circuit fermé, procède à un arrêt de la pompe 12. Lors de cet arrêt d'urgence le dispositif de vidange 56 est activé en commandant en ouverture le moyen de vannage 64 pour que le fluide de travail circule dans le conduit 58 selon le sens indiqué par la flèche C. Ceci permet de 15 réaliser ainsi une vidange du fluide contenu dans l'évaporateur 18 vers la partie du circuit (ici la branche 54) située entre la pompe et le réservoir de manière à ce que ce fluide soit ensuite introduit dans ce réservoir. Additionnellement, cette unité de contrôle met en action le dispositif de court- 20 circuit 70 de l'évaporateur en commandant la vanne 74 dans une position telle que la source chaude contourne l'évaporateur. Ainsi, sous l'effet de la pression du fluide de travail présent dans l'évaporateur 18 et dans les conduites 46 et 48 entre la sortie 16 de pompe 12 (et son clapet anti-retour 42) et l'entrée 28 de la turbine 26, l'ouverture de la vanne du 25 dispositif de vidange conduit à faire refluer une grande partie du fluide de travail, présent à l'état liquide dans l'évaporateur, vers le réservoir au travers du conduit 58. Ceci est notamment réalisé grâce à la présence du clapet 42 qui empêche le fluide de travail de circuler vers la sortie de la pompe. 30 Privée ainsi d'une bonne partie de son alimentation en fluide de travail, la production de vapeur au sein de l'évaporateur disparait rapidement. La turbine est à son tour privée d'une alimentation en fluide de travail gazeux et la production d'énergie du circuit s'arrête rapidement. 3055149 10 Il est à noter que cette procédure d'arrêt d'urgence peut être mise en action au travers de différents moyens, comme une détection de dysfonctionnement du circuit (surpression, surchauffe, ...), un arrêt manuel, etc. REVENDICATIONS1) Circuit fermé (10) fonctionnant selon un cycle de Rankine, ledit circuit comprenant au moins une pompe de circulation et de compression (12) avec une entrée (14) et une sortie (16) d'un fluide de travail sous forme liquide, un échangeur de chaleur (18) balayé par une source chaude (23) pour l'évaporation dudit fluide circulant entre une entrée (20) et une sortie (22) dudit échangeur de chaleur, des moyens de détente (26) du fluide sous forme vapeur, un échangeur de refroidissement (34) balayé par une source froide pour la condensation du fluide de travail circulant entre une entrée (36) et une sortie (38) dudit échangeur de refroidissement, un réservoir de fluide de travail (40), et des conduites de circulation du fluide de travail (44, 46, 48,50, 52, 54) pour faire circuler ledit fluide entre la pompe, l'échangeur de chaleur, les moyens de détente, le condenseur et le réservoir, caractérisé en ce que le circuit comprend un dispositif de vidange (56) du fluide contenu dans l'échangeur de chaleur (18). 2) Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de vidange comprend un conduit de vidange (58) relié à deux points de liaison (60, 62) du circuit et portant un moyen de vannage (66, 68). 3) Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de vannage est une vanne à deux voies (66) placée sur le conduit (58) entre les deux points de liaison (60, 62). 4) Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen de vannage est une vanne à trois voies (66) placée sur l'un (60) des points de liaison avec le circuit. 5) Circuit selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que 30 le moyen de vannage comprend une électrovanne. 6) Circuit selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'un (60) des points de liaison est placé entre la pompe (12) et l'échangeur de 3055149 12 chaleur (18) et l'autre (62) des points de liaison est placé entre l'échangeur de refroidissement (34) et la pompe (12). 7) Circuit selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que 5 le circuit comprend un dispositif de court-circuit (70) de la source chaude (23) traversant l'échangeur de chaleur (18). 8) Procédé de contrôle d'un circuit fermé (10) fonctionnant selon un cycle de Rankine, ledit circuit comprenant au moins une pompe de circulation et de 10 compression (12) avec un entrée (14) et une sortie (16) d'un fluide de travail sous forme liquide, un échangeur de chaleur (18) balayé par une source chaude (23) pour l'évaporation dudit fluide circulant entre une entrée (20) et une sortie (22) dudit échangeur de chaleur, des moyens de détente (26) du fluide sous forme vapeur, un échangeur de refroidissement (34) balayé par une source froide pour la 15 condensation du fluide de travail circulant entre une entrée (36) et une sortie (38) dudit échangeur de refroidissement, un réservoir de fluide de travail (40), et des conduites de circulation du fluide de travail (44, 46, 48, 50, 52, 54) pour faire circuler ledit fluide entre la pompe, l'échangeur de chaleur, les moyens de détente, le condenseur et le réservoir, caractérisé en ce que, en cas d'arrêt d'urgence du 20 circuit, on transfère le fluide contenu dans l'échangeur de chaleur (18) vers la partie (54) du circuit entre l'amont de la pompe et le réservoir. 9) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on transfère le fluide contenu dans l'échangeur de chaleur (18) vers le réservoir. 25 10) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'on transfère le fluide contenu dans l'échangeur de chaleur (18) vers la conduite (54) reliant l'amont de la pompe et le réservoir au travers d'un conduit de vidange (58). 11) Procédé selon l'une des revendications 8 à 10, caractérisé en ce qu'on contrôle la circulation du fluide de travail dans le conduit de vidange (58) par un moyen de vannage (66, 68). 3055149 13 12) Procédé selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu'on court-circuite la circulation de la source chaude (23) pour qu'elle contourne l'échangeur de chaleur (18). 5