Brevet FR3085282A1 — publié le 20200306

Description Titre de l'invention : Dispositif de fractionnement et de mélange de deux fluides permettant de maximiser l'efficacité d'un convertisseur d'énergie thermique en énergie cinétique Domaine technique 100011 Différents procédés permettent de valoriser de la chaleur fatale produite par des procédés industriels : raffinage, verreries, four d'incinération, usines sidérurgiques, gaz d'échappement de moteurs, etc. 100021 Certains utilisent des turbines à action entrainées par un jet double phase liquide/ vapeur. 100031 Parmi ceux-ci le brevet N°1101045 et la demande de brevet N°1855910 décrivent un dispositif particulier de ce type de procédé. 100041 Ledit procédé nécessite la mise en oeuvre d'au moins un fluide thermodynamique et au moins un fluide caloporteur à fractionner et mélanger de façon homogène afin de créer un jet diphasique qui est accéléré dans une tuyère. L'énergie cinétique du jet est convertie en énergie mécanique par la rotation d'une turbine à action. 100051 L'efficacité du dispositif de conversion dépend de l'énergie cinétique contenue dans le jet diphasique et donc de la vitesse de la phase liquide du jet. [0006] Pour maximiser cette efficacité, il convient de fractionner le fluide caloporteur en fines gouttelettes de taille maîtrisées et de le mélanger harmonieusement avec le fluide thermodynamique afin d'obtenir un mélange homogène. [0007] La présente invention consiste en un dispositif amélioré permettant le fractionnement maîtrisé des fluides caloporteur et thermodynamique et leur mélange homogène. [0008] ETAT DE L'ART [0009] Il existe de nombreuses technologies plus ou moins complexe pour réaliser la projection d'un mélange de fluide. [0010] Cependant, au regard des objectifs de coûts de mise en oeuvre et de maintenance du dispositif de conversion d'énergie cinétique en énergie mécanique. voire électrique, le perfectionnement du système doit rester simple. [0011] Ainsi, tous les systèmes comportant des pièces en liaison cinématique. de type valve ou piston coulissant, des dispositifs nécessitant une commande quelconque. de type vanne, ou des équipements de puissance, de type pompe sont à proscrire. Ceux-ci engendreraient des coûts de réalisation et de maintenance trop importants. [0012] David G. Elliot présente dans sa thèse «Thcory and tests of two-phase turbines » la construction pertinente d'une busc d'injection de phase liquide et gazeuse. [0013] Celle-ci est, entre autre, constituée de multiple tubes, à travers lesquels s'écoule le I fluide en phase liquide et dont les interstices entre chaque permettent l'écoulement de la phase gazeuse ; l'extrémité de sortie de l'assemblage débouche sur une chambre à travers laquelle les gouttelettes de liquide entrent en collision avec la phase gazeuse, provocant le mélange homogène entre les deux phases. [0014] Bien que fonctionnelle, la conception ne permet pas la maîtrise de la taille des gouttes du fluide caloporteur lors de son mélange avec le fluide thermodynamique. [0015] La demande de brevet N°1855910 présente un mode particulier de réalisation d'un mélangeur par l'assemblage de buses qui permettent un fractionnement maîtrisé du fluide caloporteur suivant les caractéristiques dimensionnelles des buses. [0016] Cette conception opérationnelle a donné des résultats satisfaisants mais ne garantit pas l'homogénéité du mélange en entrée de tuyère. [0017] Avantageusement, la présente invention se caractérise en ce que l'entrée de la phase liquide du fluide caloporteur est étagée selon l'axe d'injection, optimisant le phénomène de cisaillement de phases. De plus, il permet un contrôle de la taille des gouttelettes de fluide caloporteur par la taille des canaux. Exposé de l'invention [0018] L'invention concerne le perfectionnement du dispositif de conversion d'énergie thermique en énergie mécanique décrit dans le brevet français FR 2973841 cité ci-dessus, ledit perfectionnement permettant de maximiser son rendement de conversion. [0019] 11 s'agit d'un mode de réalisation particulier de l'IMA (injecteur - mélangeur - accé- lérateur), qui permet le mélange des deux phases et leur accélération dans une tuyère. [0020] L'énergie cinétique utilisée par le dispositif de conversion d'énergie cinétique en mécanique/électrique doit être maximisée afin d'obtenir un rendement optimal du convertisseur précité. [0021] Pour ce faire, la vitesse du jet diphasique doit être maximale en sortie de la tuyère ac- célératrice, ce qui impose de créer en amont de ladite tuyère un milieu diphasiquc homogène/dispersé de fines gouttelettes du fluide caloporteur mélangé avec le fluide thermodynamique. [0022] La présente invention propose une réalisation particulière de cet injecteur, perfec- tionnant le procédé et permettant de maximiser son rendement de conversion. Il assure les fonctions de fractionnement maînisé des fluides et de constitution d'un mélange homogène. [0023] Ce dispositif peut être utilisé par extension à toute application nécessitant l'usage d'un mélange homogène double phase à granulométrie maîtrisée de la phase liquide. Brève description des dessins 100241 [fig.' I est une coupe axiale du dispositif. 3 [0025] [fig.2] donne un plan de détail des rondelles crantées. [0026] DESCRIPTION DETAILLE DE L'INVENTION [0027] Lc dispositif faisant l'objet de l'invention organise de façon harmonieuse le frac- tionnement et le mélange d'un fluide caloporteur et d'un fluide thermodynamique permettant la mise en vitesse du premier grâce à son interaction avec le second dans une tuyère. [0028] Dans un mode de représentation illustratif, niais non-limitatif, il se compose d'un corps Rep1/1 et d'un chapeau Repl/2 assemblés par des boulons. [0029] Lc chapeau Rep1/2 comporte une tubulure d'entrée Repl d'un fluide caloporteur en phase liquide et une tubulure d'entrée Rep2 d'un fluide thermodynamique en phase gazeuse ou partiellement en phase liquide et susceptible de se vaporiser dans les conditions de température et de pression auxquelles se trouve le fluide caloporteur. [0030] Lc corps Rep1/1 est prolongé par une tubulure Rep10 en forme de tuyère. [0031] A la suite de la tubulure d'entrée Repl, le fluide caloporteur est admis à l'extérieur d'un empilement de rondelles crantées Rep 4/1, solidarisées par des tirants [0032] Rep 3. Cet empilement est étanche à ses extrémités par rapport à l'ensemble corps / chapeau par deux joints Rep 6/1 et 6/2 de telle sorte que le flux de caloporteur soit contraint de passer de la tubulure Repl à la tubulure Rep 10 au travers des canaux Rcp 5 usinés dans les faces supérieures des rondelles coniques Rcp 4/2. [0033] Ces canaux, au nombre d'une dizaine à une trentaine par rondelle, sont de section adaptée au mode de fabrication et préférentiellement rectangulaire, de largeur quelques dixièmes à quelques millimètres, et de profondeur équivalente à la taille souhaitées des gouttelettes ; typiquement de l'ordre de quelques dizaines de microns à quelques centaines de microns. Le nombre de canaux et le nombre de rondelles sont ajustés pour limiter à quelques centaines de millibars la perte de charge du caloporteur au passage de l'empilement. [0034] Le fluide thermodynamique sous forme liquide, gazeuse ou mélange des deux, est admis par le biais d'une pomme d'arrosage Rep 7 et par une pluralité de trous de faible diamètre Rep 8 qui constellent son extrémité, dans l'espace intérieur de l'empilement Rep 4/1. [0035] Ces trous sont disposés à la périphérie de la pomme d'arrosage de telle sorte que les jets de fluide thermodynamique qui s'en échappent cisaillent la pluralité des jets de fluide caloporteur qui les croisent à 45°. [0036] Un cône Rep 9 disposé au centre de l'empilement Rep 4/1 permet que la vitesse du mélange des deux fluides reste constante tout au long de l'empilement. [0037] L'interaction organisée entre les deux fluides par ce dispositif permet au liquide ther- modynamique d'être dispersé et mélangé avec le fluide caloporteur, lui-même 4 fractionné, au sein d'un écoulement double phase homogène. [0038] Celui-ci est admis dans des conditions optimales à l'entrée de la tuyère critique Rcp 10 dans laquelle le liquide caloporteur fractionné va continuer à être accéléré par la détente de la vapeur du fluide thermodynamique afin de créer un jet double phase à haute vitesse avant d' impactcr les aubagcs d'une turbine à action. [0039] Les prises dc pression Rept 3 et Rcp 12 permettent dc contrôler la perte de charge de l'empilement de rondelle Rep4/1 pendant le fonctionnement du dispositif. La tubulure Rcp 11 est destinée à évacuer d'éventuelles impuretés retenues à l'entrée des rondelles crantées. [0040] AVANTAGES COMPLEMENTAIRES DE L'INVENTION [0041] Une autre caractéristique remarquable dc l'invention concerne l'interaction entre le fluide thermodynamique ayant une vitesse axiale et le fluide caloporteur sortant des rondelles crantées avec une vitesse formant un angle de l'ordre de 45 par rapport au fluide thermodynamique. [0042] L'effet de cisaillement est conjugué avec une pré accélération du fluide caloporteur dans le mélangeur, qui s'apparente à un effet dc trompe, et qui permet, toutes choses égales par ailleurs, de diminuer la pression de refoulement de la pompe de circulation du fluide caloporteur donc sa puissance, et par la même d'améliorer le rendement global de conversion du procédé. Application industrielle [0043] Lc dispositif faisant l'objet de l'invention est applicable à tous les convertisseurs d'énergie thermique en énergie mécanique utilisant la détente d'un mélange double phase dans leur procédé. [0044] 11 peut également être utilisé dans des pistolets à peinture ou des lances d'incendie ou un effet de pulvérisation et de projection d'un liquide à grande vitesse est recherché.