Brevet FR3084913A1 — publié le 20200214

Système thermique à circuit Rankine La présente invention concerne un système thermique, notamment pour un véhicule automobile. Les moteurs à combustion interne standard ont un faible rendement. En effet, seulement 20 à 30 % de l'énergie du combustible est convertie en énergie mécanique, alors que le reste est dissipé dans l'environnement sous forme d'énergie thermique, cette perte d'énergie étant dissipée dans les gaz d'échappement et dans un dispositif de refroidissement du véhicule. Afin de récupérer une partie de cette énergie, il existe déjà, dans l'état de la technique, un système thermique comprenant un dispositif de récupération de chaleur à cycle Rankine, comprenant un circuit Rankine, dans lequel circule un fluide de travail (dit fluide Rankine), le circuit comprenant un premier échangeur de chaleur dans lequel le fluide Rankine récupère de la chaleur à une source de chaleur, un détendeur, un condenseur et une première pompe. Un tel dispositif de récupération de chaleur à cycle Rankine permet de convertir l'énergie thermique en énergie mécanique ou électrique. La première pompe permet de comprimer et de faire circuler le fluide Rankine. Ce fluide Rankine entre ensuite dans le premier échangeur de chaleur, dans lequel la chaleur des gaz d'échappement ou du dispositif de refroidissement est utilisée pour évaporer le fluide Rankine. Cette vapeur à haute pression passe ensuite par un détendeur où elle est expansée en vapeur à basse pression. Ce détendeur peut être un détendeur volumétrique, comme un piston ou une spirale, ou un détendeur dynamique comme une turbine. Ce détendeur produit de l'énergie mécanique et cette énergie mécanique peut être convertie en électricité à l'aide d'un générateur électrique. La vapeur à basse pression est ensuite refroidie et condensée dans le condenseur. Il est à noter que le fluide Rankine peut être sujet à des variations de pression entre le détendeur et la pompe, ce qui peut dans certains cas entraîner une cavitation de la pompe. L'invention a notamment pour but de remédier à cet inconvénient, en proposant un système thermique dans lequel la pression entre le détendeur et la pompe du dispositif de récupération de chaleur à cycle Rankine est régulée automatiquement, sans nécessiter de vanne de régulation. A cet effet, l'invention a notamment pour objet un système thermique, notamment pour véhicule automobile, du type comprenant : 2 - un dispositif de récupération de chaleur à cycle Rankine comprenant un circuit Rankine, dans lequel circule un fluide Rankine, le circuit Rankine comprenant un premier échangeur de chaleur dans lequel le fluide Rankine récupère de la chaleur à une source de chaleur, un détendeur, un condenseur et une première pompe, 5 - un dispositif de refroidissement comprenant un circuit de refroidissement dans lequel circule un fluide réfrigérant, ledit circuit de refroidissement comprenant un second échangeur de chaleur dans lequel le fluide réfrigérant cède de la chaleur à une source froide, une seconde pompe, et un troisième échangeur de chaleur avec un dispositif à refroidir, 10 le système thermique comportant un dispositif de régulation de la pression dans le circuit Rankine, ledit dispositif de régulation de la pression comprenant une enveloppe délimitant un espace, et logeant une partie mobile séparant l'espace en des première et seconde chambres, la première chambre communiquant avec le circuit Rankine et la seconde chambre communiquant avec le circuit de refroidissement. 15 L'invention prévoit d'utiliser la pression dans le dispositif de refroidissement pour contrôler la pression entre le détendeur et la pompe du dispositif de récupération de chaleur à cycle Rankine. Un système thermique selon l'invention peut en outre comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou selon toutes combinaisons 20 techniquement envisageables : - Le dispositif de régulation de la pression comporte : - une entrée de fluide Rankine sous forme gazeuse dans la première chambre et une sortie de fluide Rankine sous forme liquide depuis la première chambre, - un conduit d'entrée de fluide réfrigérant dans la seconde chambre et un 25 conduit de sortie de fluide réfrigérant depuis la seconde chambre, et - le condenseur, formé par une conduite d'échange de chaleur s'étendant dans la première chambre et dans laquelle circule le fluide réfrigérant. - Le système thermique comporte une vanne, et en particulier une vanne à trois voies, dont une voie est connectée à la seconde chambre et une autre voie est connectée 30 à la conduite d'échange de chaleur du condenseur. - Le dispositif de régulation de la pression est disjoint du condenseur, la première chambre du dispositif de régulation de la pression communiquant avec le circuit Rankine entre le condenseur et la première pompe. - La seconde chambre est reliée au circuit de refroidissement par l'intermédiaire 35 d'une vanne, la vanne étant de préférence une vanne à trois voies agencée en parallèle de la seconde pompe, comprenant une première voie reliée à la seconde chambre, une 3 seconde voie connectée en amont de la seconde pompe et une troisième voie connectée en aval de la seconde pompe. - La partie mobile du dispositif de régulation de la pression est choisie parmi une membrane, un piston ou une vessie. 5 - Le dispositif à refroidir est un moteur thermique, la source de chaleur étant formée par un gaz d'échappement provenant de ce moteur thermique. - Le circuit de refroidissement comporte un réservoir d'expansion. L'invention concerne également une ligne d'échappement, notamment de véhicule automobile, comportant un système thermique tel que décrit précédemment. 10 L'invention concerne également un véhicule, notamment un véhicule automobile, comportant une ligne d'échappement telle que décrite précédemment. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux figures annexées, parmi lesquelles : 15 - La figure 1 est une vue schématique d'un système thermique selon un premier exemple de mode de réalisation de l'invention ; - La figure 2 est une vue schématique d'un dispositif de régulation de la pression équipant le système thermique de la figure 1 ; - La figure 3 est une vue schématique d'un système thermique selon un deuxième 20 exemple de mode de réalisation de l'invention ; - La figure 4 est une vue schématique d'un système thermique selon un troisième exemple de mode de réalisation de l'invention. On a représenté, sur la figure 1, un système thermique 10, notamment destiné à équiper un véhicule automobile. 25 Le système thermique 10 comporte un dispositif 12 de récupération de chaleur à cycle Rankine comprenant un circuit Rankine 14, dans lequel circule un fluide Rankine 16, le circuit Rankine 14 comprenant un premier échangeur de chaleur 18 dans lequel le fluide Rankine 16 récupère de la chaleur à une source de chaleur 20, un détendeur 22, un condenseur 23 et une première pompe 24. 30 Par exemple, la source de chaleur 20 est un gaz d'échappement. Conformément à ce premier mode de réalisation, le condenseur 23 est inclus dans un dispositif 26 de régulation de la pression, représenté plus en détail sur la figure 2. Ce dispositif 26 de régulation de la pression est agencé en aval du détendeur 22 et en amont de la première pompe 24, en d'autres termes dans une partie basse pression du circuit 35 Rankine 14. 4 Le système thermique 10 comporte par ailleurs un dispositif de refroidissement 28 comprenant un circuit de refroidissement 30, dans lequel circule un fluide réfrigérant 32. Le circuit de refroidissement 30 comprend un second échangeur de chaleur 34 dans lequel le fluide réfrigérant 32 cède de la chaleur à une source froide, une seconde pompe 5 36, et un troisième échangeur de chaleur 38 avec un dispositif à refroidir, le dispositif à refroidir étant par exemple un moteur du véhicule automobile. Le circuit de refroidissement 30 comporte également, de manière classique, un réservoir d'expansion 40. Avantageusement, le réservoir d'expansion 40 remplit les conditions opératoires 10 suivantes : - une pression comprise entre 1,2 et 2,2 bars, par exemple comprise entre 1,3 et 2 bars, et de préférence entre 1,4 et 1,7 bars, - une température comprise entre 45 et 100°C, parexemple comprise entre 55 et 90°C, et de préférence entre 65 et 80°C. 15 Sous ces conditions opératoires, le fluide Rankine 16 est de l'éthanol. Comme indiqué précédemment, le système thermique 10 selon l'invention comporte ledit dispositif 26 de régulation de la pression dans le circuit Rankine 14, représenté plus en détail sur la figure 2. Le dispositif de régulation de la pression 26 comporte une enveloppe 42 délimitant 20 un espace, et logeant une partie mobile 44 séparant l'espace en des première 46 et seconde 48 chambres. La première chambre 46 communique avec le circuit Rankine 14, et elle est donc remplie de fluide Rankine 16, et la seconde chambre 48 communique avec le circuit de refroidissement 30, et elle est donc remplie de fluide réfrigérant 32. Conformément à ce mode de réalisation, la première chambre 46 loge le 25 condenseur 23, qui est formé par une conduite d'échange de chaleur, de préférence pourvue d'ailettes, et dans laquelle circule le fluide réfrigérant 32. Grâce au dispositif de régulation de la pression 26, la pression est transmise au fluide Rankine 16 par l'intermédiaire de la partie mobile 44 qui sépare le fluide Rankine 16 du fluide réfrigérant 32. 30 On notera que la partie mobile 44 peut être formée par une membrane, une vessie, ou en variante par un piston. La pression dans le dispositif de régulation de la pression 26 est la même que celle dans le réservoir d'expansion 40 du circuit de refroidissement 30. Cette pression dépend de la dilatation thermique du fluide réfrigérant 32, donc de sa température. 35 II est à noter que la pression de saturation en amont de la première pompe 24 est inférieure à la pression dans le réservoir d'expansion 40. 5 Conformément au mode de réalisation représenté sur la figure 2, le dispositif de régulation de la pression 26 comporte un conduit d'entrée 50 de fluide réfrigérant 32 et un conduit de sortie 52 de fluide réfrigérant 32, connectés au circuit de refroidissement 30 et débouchant de part et d'autre de la seconde chambre 48. Ainsi, le fluide réfrigérant 32 5 peut circuler dans la seconde chambre 48, ce qui évite une surchauffe de ce fluide réfrigérant 32 due à sa proximité avec le fluide Rankine 16 dans le dispositif de régulation de la pression 26. Avantageusement, le conduit d'entrée 50 est connecté au circuit de refroidissement 30 par l'intermédiaire d'une vanne 54, permettant de contrôler le débit de 10 fluide réfrigérant 32 à travers la seconde chambre 48. La vanne 54 est par exemple une vanne à trois voies, comprenant une première voie connectée au circuit de refroidissement 30, une seconde voie connectée à la seconde chambre 48 et plus particulièrement au conduit d'entrée 50 de fluide réfrigérant 32 dans la seconde chambre 48, et une troisième voie connectée à la conduite d'échange 15 de chaleur du condenseur 23. Ainsi, la vanne 54 permet également de contrôler le flux de fluide réfrigérant 32 à travers le condenseur 23, afin de contrôler la température du fluide Rankine 16 en sortie de ce condenseur 23, donc en entrée de la première pompe 24. Le fonctionnement du système thermique 10 selon le premier mode de réalisation va maintenant être décrit. 20 Le fluide Rankine 16 prend de la chaleur dans le premier échangeur 18, puis est détendu dans le détendeur 22, avant de parvenir sous forme gazeuse dans la première chambre 46, où il est condensé sous forme liquide avant de ressortir de la première chambre 46 en direction de la première pompe 24. Dans le circuit de refroidissement 30, le fluide réfrigérant 32, entraîné par la 25 seconde pompe 36, récupère des calories au troisième échangeur de chaleur 38, pour les restituer au second échangeur de chaleur 34, de manière classique. Une partie du fluide réfrigérant 32 est toutefois déviée vers le dispositif de régulation de la pression 26, et plus particulièrement vers le condenseur 23 et vers la seconde chambre 48. Le débit de cette partie de fluide réfrigérant 32 est régulé par la 30 vanne 54. La pression du fluide réfrigérant 32 est transmise au fluide Rankine 16 par l'intermédiaire de la partie mobile 44, compensant ainsi les variations de volume du fluide Rankine 16. Le fluide réfrigérant 32 sortant du dispositif de régulation de la pression 26 passe 35 ensuite dans le second échangeur de chaleur 34 où il est refroidit. 6 On a représenté, sur la figure 3, un système thermique 10 selon un deuxième exemple de mode de réalisation de l'invention. Sur cette figure, les éléments analogues à ceux des figures précédentes sont désignés par des références identiques, et ne seront pas décrits à nouveau. 5 Le système thermique 10 selon ce second mode de réalisation diffère de celui du premier mode de réalisation en ce que le condenseur 23' et le dispositif de régulation de la pression 26' sont disjoints. Le condenseur 23' est alors agencé en aval du détendeur 22 et en amont du dispositif de régulation de la pression 26'. 10 Le dispositif de régulation de la pression 26' comporte une enveloppe 42', délimitant un espace et logeant une partie mobile 44' séparant l'espace en des première 46' et seconde 48' chambres. La partie mobile 44' est par exemple une membrane, un piston ou une vessie. La première chambre 46' communique avec le circuit Rankine 14, et plus 15 particulièrement avec une première branche 56 reliant le condenseur 23' à la première pompe 24. La seconde chambre 48' communique avec le circuit de refroidissement 30, et plus particulièrement avec une seconde branche 58 reliant le second échangeur de chaleur 34 à la seconde pompe 36. 20 Le fonctionnement de la régulation de la pression dans le circuit Rankine 14 est similaire à celui décrit précédemment pour le premier mode de réalisation. On a représenté, sur la figure 4, un système thermique 10 selon un troisième exemple de mode de réalisation de l'invention. Sur cette figure, les éléments analogues à ceux des figures précédentes sont désignés par des références identiques, et ne seront 25 pas décrits à nouveau. Le système thermique 10 selon ce troisième mode de réalisation diffère de celui du second mode de réalisation en ce que la seconde chambre 48' est connectée au circuit de refroidissement 30 par l'intermédiaire d'une vanne 60. Plus particulièrement, la vanne 60 est une vanne à trois voies agencée en 30 parallèle de la seconde pompe 36, comprenant une première voie reliée à la seconde chambre 48', une seconde voie connectée en amont de la seconde pompe 36 et une troisième voie connectée en aval de la seconde pompe 36. Le fonctionnement de la régulation de la pression dans le circuit Rankine 14 est similaire à celui décrit précédemment pour le second mode de réalisation, à l'exception du 35 fait que, grâce à la vanne 60, la seconde chambre 48' peut être reliée au circuit de 7 refroidissement 30 en amont ou en aval de la seconde pompe 36, en fonction de la pression souhaitée. On notera que l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits, REVENDICATIONS1. Système thermique (10), notamment pour véhicule automobile, du type comprenant : - un dispositif (12) de récupération de chaleur à cycle Rankine comprenant un circuit Rankine (14), dans lequel circule un fluide Rankine (16), le circuit Rankine (14) comprenant un premier échangeur de chaleur (18) dans lequel le fluide Rankine (16) récupère de la chaleur à une source de chaleur (20), un détendeur (22), un condenseur (23 ; 23') et une première pompe (24), - un dispositif de refroidissement (28) comprenant un circuit de refroidissement (30) dans lequel circule un fluide réfrigérant (32), ledit circuit de refroidissement (30) comprenant un second échangeur de chaleur (34) dans lequel le fluide réfrigérant (32) cède de la chaleur à une source froide, une seconde pompe (36), et un troisième échangeur de chaleur (38) avec un dispositif à refroidir, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (26 ; 26') de régulation de la pression dans le circuit Rankine (14), ledit dispositif de régulation de la pression (26 ; 26') comprenant une enveloppe (42 ; 42') délimitant un espace, et logeant une partie mobile (44 ; 44') séparant l'espace en des première (46 ; 46') et seconde (48 ; 48') chambres, la première chambre (46 ; 46') communiquant avec le circuit Rankine (14) et la seconde chambre (48 ; 48') communiquant avec le circuit de refroidissement (30). 2. Système thermique (10) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de régulation de la pression (26) comporte : - une entrée de fluide Rankine sous forme gazeuse dans la première chambre (46) et une sortie de fluide Rankine sous forme liquide depuis la première chambre (46), - un conduit d'entrée (50) de fluide réfrigérant (32) dans la seconde chambre (48) et un conduit de sortie (52) de fluide réfrigérant (32) depuis la seconde chambre (48), et - le condenseur (23), formé par une conduite d'échange de chaleur s'étendant dans la première chambre (46) et dans laquelle circule le fluide réfrigérant (32). 30 3. Système thermique (10) selon la revendication 2, comportant une vanne (54), et en particulier une vanne à trois voies, dont une voie est connectée à la seconde chambre (48) et une autre voie est connectée à la conduite d'échange de chaleur du condenseur (23). 35 9 4. Système thermique (10) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de régulation de la pression (26') est disjoint du condenseur (23'), la première chambre (46') du dispositif de régulation de la pression (26') communiquant avec le circuit Rankine (14) entre le condenseur (23') et la première pompe (24). 5 5. Système thermique (10) selon la revendication 4, dans lequel la seconde chambre (48') est reliée au circuit de refroidissement (30) par l'intermédiaire d'une vanne (60), la vanne (60) étant de préférence une vanne à trois voies agencée en parallèle de la seconde pompe (36), comprenant une première voie reliée à la seconde chambre (48'), 10 une seconde voie connectée en amont de la seconde pompe (36) et une troisième voie connectée en aval de la seconde pompe (36). 6. Système thermique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la partie mobile (44 ; 44') du dispositif de régulation de la 15 pression (26 ; 26') est choisie parmi une membrane, un piston ou une vessie. 7. Système thermique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif à refroidir est un moteur thermique, la source de chaleur (20) étant formée par un gaz d'échappement provenant de ce moteur thermique. 20 8. Système thermique (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit de refroidissement (30) comporte un réservoir d'expansion (40). 25 9. Ligne d'échappement, notamment de véhicule automobile, caractérisée en ce qu'elle comporte un système thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes. 10. Véhicule, notamment véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il comporte une ligne d'échappement selon la revendication 9.35