FR2981981A1

FR2981981A1 - Procede de conversion en energie mecanique d'une energie thermique, dispositif faisant application, et dispositif particulierement adapte a la mise en oeuvre dudit procede

Info

Publication number: FR2981981A1
Application number: FR1159849A
Authority: FR
Inventors: Pierre Convert
Original assignee: HELIOS ENERGY PARTNERS
Current assignee: AQYLON, FR
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2013-05-03
Anticipated expiration: 2031-10-28
Also published as: FR2981981B1

Abstract

Procédé de conversion en énergie mécanique d'une énergie thermique provenant d'une source chaude selon un cycle thermodynamique appliqué à un fluide de travail sec et comprenant les étapes de réchauffer un flux principal de fluide de travail sous forme gazeuse en prélevant de la chaleur à la source chaude (1,2) ; d'accélérer le flux principal de fluide de travail sous forme gazeuse, jusqu'à une vitesse supersonique (3,30); d'injecter dans le flux principal de fluide de travail ainsi accéléré un flux secondaire de fluide de travail sous forme liquide à forte pression, de façon à ce que le fluide du flux secondaire se vaporise instantanément dans le flux principal ; de faire passer le flux principal de fluide de travail dans la turbine (4). Les étapes sont recommencées à chaque cycle, le cycle comprenant en outre l'étape de prélever une partie du flux principal de fluide de travail sous forme vapeur pour la condenser afin de former le flux secondaire liquide qui est injecté comme il est dit à l'étape c/. L'enthalpie de liquéfaction dégagée lors de la condensation du fluide du flux secondaire est récupérée et exploitée pour réchauffer le fluide de travail.

Description

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé de conversion en énergie mécanique, pouvant être exploitée pour produire de l'électricité, d'une énergie thermique fournie par une source chaude. ETAT DE LA TECHNIQUE La conversion de l'énergie thermique d'une source chaude en énergie mécanique, puis potentiellement en électricité, se fait de façon connue en soi par l'utilisation d'un fluide réchauffé par la source chaude puis détendu dans une turbine. Cette conversion se fait en utilisant par exemple des cycles thermodynamiques de type Rankine, Rankine organique, Brayton ou Stirling. Ces cycles sont actuellement employés dans la ma- jeure partie des dispositifs de génération d'électricité. Les cycles de Rankine à vapeur d'eau équipent actuellement les centrales électriques utili- sant de l'énergie thermique provenant de la combustion du charbon ou de réaction nucléaire. On connaît du document EP1269025 un dispositif pour comprimer un fluide, que l'on nommera ici compresseur thermocinétique. Le dispositif forme un conduit tubu- laire dans lequel le fluide est injecté, et comporte successivement un convergent permettant d'accélérer le fluide jusqu'à une vitesse supersonique, un canal d'écoulement supersonique équipé d'un dispositif de pulvérisation de liquide pour introduire des gouttes de li- guide dans le flux supersonique, un divergent de com- pression adiabatique destiné à comprimer le gaz en le ralentissant à une vitesse subsonique.

L'injection de liquide sous forme de gouttelettes dans le flux supersonique provoque sa vaporisation et prélève donc au fluide gazeux une enthlapie égale à l'enthalpie de vaporisation du liquide, mais provoque également une diminution de l'entropie du flux gazeux. La compression du flux gazeux en sortie du canal supersonique conduit à une pression statique plus élevée que la pression statique d'entrée du fluide. Ce document préconise l'utilisation d'un tel com- presseur thermocinétique dans un cycle de récupération de chaleur issue d'une source chaude pour transformer cette chaleur en énergie mécanique. Un tel compresseur est utilisé pour comprimer la vapeur d'eau précédemment réchauffée par la source chaude, en condensant une par- tie du flux de vapeur pour l'utiliser comme liquide à vaporiser dans le compresseur thermocinétique. OBJET DE L'INVENTION L'invention a pour objet un procédé de conversion d'énergie thermique en énergie mécanique amélioré, uti- lisant le principe d'injection de liquide dans un flux de gaz accéléré. EXPOSE DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, on propose se- lon l'invention un procédé de conversion en énergie méca- nique d'une énergie thermique provenant d'une source chaude selon un cycle thermodynamique appliqué à un fluide de travail sec et comprenant les étapes de : a/ réchauffer un flux principal de fluide de tra- vail sous forme gazeuse en prélevant de la chaleur à la source chaude ; b/ accélérer le flux principal de fluide de travail sous forme gazeuse, jusqu'à une vitesse supersonique ; c/ injecter dans le flux principal de fluide de travail sous forme gazeuse ainsi accéléré un flux se- condaire de fluide de travail sous forme liquide à forte pression, de façon à ce que le flux secondaire se vaporise instantanément dans le flux principal de sorte que celui-ci voit son entropie diminuée et sa vitesse augmentée ; d/ faire passer le flux principal de fluide de tra- vail dans une turbine, en ayant le cas échéant recompressé le fluide pour que sa vitesse soit subsonique en amont de la turbine si celle-ci fonctionne sous flux subsonique; les étapes étant recommencées à chaque cycle, le cycle comprenant en outre l'étape de prélever une partie du fluide de travail du flux principal sous forme gazeuse pour la condenser afin de former le flux secondaire liquide qui est injecté comme il est dit à l'étape c/, de sorte que l'enthalpie de liquéfaction dégagée lors de la condensation du fluide du flux secondaire soit récupérée et exploitée pour réchauffer le flux principal de fluide de travail. Cette disposition permet d'améliorer significative- ment le rendement du cycle de l'invention. Selon un mode particulier de mise en oeuvre de l'invention, les étapes b/ c/ et d/ sont mises en oeuvre au moyen d'un compresseur thermocinétique, à la sortie duquel le flux principal de fluide de travail est subs- tantiellement ralenti de sorte à transformer la quasi- totalité de la pression dynamique dudit flux principal en pression statique, le flux secondaire étant prélevé entre la sortie du compresseur thermocinétique et l'entrée de la turbine. Selon un autre mode particulier de mise en oeuvre de l'invention, le flux secondaire est prélevé dans le flux principal de fluide de travail alors qu'il est accéléré, avant qu'il n'attaque la turbine. De préférence alors, l'étape d/ est réalisée de sorte à récupérer la majeure partie de l'énergie cinétique du flux principal au moyen de la turbine, la pression du fluide restant substantiel- lement inchangée au passage de la turbine. De préférence, le cycle comprend, pour le flux secondaire, les étapes de : e/ comprimer le fluide du flux secondaire jusqu'à une pression telle que sa température de vaporisation soit voisine de la température maximale atteinte par le fluide du flux principal à l'issue de l'étape de réchauffement a/; f/ liquiéfier puis refroidir le condensat du fluide du flux secondaire ainsi obtenu; de sorte que l'enthalphie de liquéfaction cédée soit récupérée et exploitée pour réchauffer le flux principal de fluide de travail ; g/ comprimer le fluide liquide du flux secondaire pour atteindre la pression d'injection de l'étape c/. L'invention est également relative à un dispositif spécialement destiné à mettre en oeuvre le procédé de l'invention, comportant un conduit tubulaire destiné à recevoir un flux de fluide gazeux et comportant un noyau d'entrée terminé par une ogive et portant un organe d'injection, le conduit tubulaire formant avec le noyau d'entrée un convergent/divergent présentant un col au-delà duquel le fluide gazeux atteint une vitesse supersonique, et un noyau de sortie commencé par une ogive et formant avec le conduit tubulaire un convergent de ralen- tissement du fluide à une vitesse subsonique, le noyau de sortie recevant un étage déviateur qui est suivi d'une turbine. PRESENTATION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit d'un mode particulier de mise en oeu- vre de l'invention en référence, outre à la figure 1 illustrant l'état de la technique, aux figures des dessins annexés parmi lesquelles la figure 1 est un schéma d'un cycle thermique selon un premier mode de mise en oeuvre de l'invention, faisant appel à un compresseur thermocinétique; la figure 2 est un schéma d'un cycle thermique selon un deuxième mode de mise en oeuvre de l'invention, faisant appel à un dispositif selon l'invention illustré dans les figures suivantes la figure 3 est une vue de côté partiellement écorchée d'une première partie du dispositif selon l'invention ; la figure 4 est une vue en perspective partiel- lementW écorchée 1_à première partie du dispositif selon l'invention ; la figure 5 est une vue de côté partiellement écorchée de la seconde partie du dispositif selon l'invention ; la figure 6 est une vue en perspective de la seconde partie du dispositif de l'invention ; la figure 7 est une vue en perspective partiellement écorchée de la totalité du dispositif de l'invention ; la figure 8 est une vue schématique de la tur- bine et de son étage déviateur. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION En référence à la figure 1, le cycle de l'invention consiste à faire circuler un flux principal de fluide de travail sous forme gazeuse dans le circuit illustré en traits épais. Les divers états du fluide lors de son cy- cle sont donnés par des indications chiffrées directement sur la figure, donnant à chaque fois la température, la pression, et l'enthalpie du fluide. Il est bien évident que les valeurs sont données à titre purement illustratif et l'invention n'est pas limitée à ces valeurs. Conformément à l'étape a/ du cycle de l'invention, le flux principal de fluide de travail passe tout d'abord par un échangeur de chaleur 1 pour récupérer de la chaleur en provenance d'une source chaude, par exemple un fluide caloporteur 2 chauffé par un collecteur solaire. On constate que la température du fluide et son enthlapie ont augmenté (respectivement +6 degrés et +7 kj/kg) au passage de l'échangeur de chaleur 1. Puis le fluide du flux principal est présenté en entrée d'un compresseur thermocinétique 3 comme celui dé- crit dans le document EP1269025. On constate qu'en sortie du compresseur thermocinétique 3, la pression du fluide du flux principal a augmenté (+1,5 bars), que sa température est restée sensiblement constante), tandis que son enthalpie a légèrement diminué (sensiblement -14 Kj/K/Kg). Les étapes b/,c/ sont réalisées grâce au com- presseur thermicinétique 3, la phase d'injection correspondant à l'étape c/ sera détaillée plus loin. A la sortie du compresseur thermocinétique 3, le fluide de travail du flux principal a été substantiellement ralenti, de sorte que la vitesse du fluide redevient identique à la vitesse naturelle du fluide dans le circuit, en pratique faible. Ainsi, la pression dynamique du fluide du flux principal acquise lors de son accélération dans le compresseur est quasi intégralement transformée en pres- sion statique. Puis, conformément à l'étape dl, le fluide du flux principal est détendu dans une turbine 4 pour récupérer une énergie mécanique utilisable par exemple pour faire tourner un alternateur électrique.

Pour former le flux secondaire (en traits plus fins), une partie du fluide du flux principal est prélevée à la sortie du compresseur thermocinétique 3 au moyen d'une dérivation 20. Le fluide du flux secondaire est alors déjà ralenti par le compresseur thermocinétique lui-même. Conformément à l'étape e/, le fluide du flux secondaire est alors compressé par un compresseur 5. La pression passe ainsi de 6,5 bars à 12 bars. Cette pression est telle que la température de vaporisation du fluide du flux secondaire est voisine de la température maximale atteinte par le fluide du_ flux principal à l'issue de l'étape de réchauffement al. Puis, conformément à l'étape f/ on fait passer le fluide du flux secondaire dans un condenseur 6 pour le liquéfier. Le condenseur 6 forme un échangeur de chaleur grâce auquel l'enthalpie de liquéfaction du fluide du flux secondaire est récupérée et exploitée pour réchauf- fer le fluide du flux principal. Ici, l'enthalphie du fluide du flux secondaire chute de sensiblement 130kj/kg, cette enthalphie étant récupérée pour réchauffer le fluide du circuit principal. Cette étape essentielle de l'invention permet d'obtenir un rendement appréciable. Puis on refroidit le fluide liquide du flux secondaire en le faisant passer dans un refroidisseur 7 alimenté par un fluide froid 8. La température du fluide liquide du flux secondaire passe ainsi de 92,7 à 80 de- grés Celsius. Enfin, conformément à l'étape g/ le fluide liquide du flux secondaire est fortement compressé par un compresseur 9 (la pression passe de 12 à 20 bars) en vue de son injection dans le compresseur thermocinétique 3.

L'invention peut également être mise en oeuvre selon un deuxième mode illustré à la figure 2. Le circuit est essentiellement le même que celui précédemment décrit. D'ailleurs, les éléments communs portent les mêmes références. Les différences sont les suivantes : le compresseur thermocinétique 3 est remplacé par un nouveau dispositif, objet de l'invention, appelé accélérateur 30. Ce dispositif, ainsi que cela sera décrit en détail plus loin, ressemble à un compresseur thermocinétique, sauf qu'en sortie, le fluide du flux -25 - principal-est ralenti uniquement pour faire passer.... sa vi- tesse de supersonique à subsonique pour rendre compatible la vitesse du fluide avec la turbine (on notera cependant qu'il a été envisagé des turbines pouvant fonctionner sous flux supersonique. Avec une telle turbine, le ralen- 30 tissement préalable n'est pas nécessaire). Ainsi, et contrairement au mode de mise en oeuvre précédent, on ne cherche pas à transformer la quasi-totalité de la pression dynamique en pression statique. On cherche juste à conférer au fluide du flux principal une vitesse subsonique compatible avec l'attaque de la turbine 4 ; le fluide du flux secondaire est prélevé en sortie de l'accélérateur 30 et possède donc une énergie cinétique non négligeable. Il convient donc d'interposer entre ce prélèvement et le compresseur 5 un ralentisseur 50 capable de ralentir le fluide du flux secondaire, de préférence en transformant l'essentiel de sa pression dy- namique en pression statique. Un dispositif spécialement adapté à la mise en oeuvre du cycle de l'invention est maintenant décrit en référence aux figures 4 à 7. Il combine l'accélérateur 30, la turbine 4 et la dérivation 20 pour le flux secondaire en un ensemble unitaire illustré à la figure 7. Celui-ci est composé d'une première partie 110 correspondant à l'accélérateur 30 et qui est illustrée aux figures 3 et 4, et d'une deuxième partie 150 correspondant à la tur- bine 4 et à la dérivation 20, illustrée aux figures 5 et 6. En référence aux figures 3 et 4, la première partie 110 comporte un conduit tubulaire 111 creux de révolution abritant un noyau d'entrée 112 qui est maintenu centré dans le conduit tubulaire par des bras respectifs 113 et 114. Un canal annulaire de passage du flux principal est ainsi défini entre le conduit tubulaire 111 et le noyau d'entrée 112. Le noyau d'entrée 112 est de section essentielle- ment circulaire et se termine par une pointe 115 en ogive qui porte un anneau d'injection 116 relié à l'ogive 115 par des bras 117 qui acheminent vers l'anneau d'injection 116 le fluide liquide du flux secondaire amené vers l'ogive 115 par une conduite centrale 118. Le liquide injecté est figuré par des petits points en aval de l'anneau d'injection 116. Comme cela est plus particulièrement visible à la figure 4, le conduit tubulaire 111 comporte plusieurs portions, dont une première portion 111a d'abord cylindrique puis convergente, une deuxième portion de profil 111b convexe formant avec le noyau d'entrée 112 un convergent/divergent présentant un col, est une troisième portion 111c d'abord divergente puis cylindrique. Ces formes sont destinées à conférer au fluide gazeux du flux principal admis dans la partie cylindrique de la première portion 111a une vitesse sonique au col, puis supersoni- que en aval du col. En référence aux figures 5 et 6, la deuxième partie 150 comporte un conduit tubulaire 151 de révolution recevant en son centre un noyau de sortie 152 maintenu par des bras 153. Un canal est pour l'écoulement du fluide gazeux est ainsi défini entre le conduit tubulaire 151 et le noyau de sortie 152. Le noyau de sortie 152 comporte une partie amont profilée en ogive 154 formant avec la portion 151a du conduit tubulaire 151 en regard un convergent de ralen- tissement du fluide gazeux jusqu'à une vitesse subsonique. La portion 151a vient se fixer en continuité de la portion 111c de la première partie 110. Le conduit tubulaire 151 comporte une partie terminale 151b qui s'évase pour recevoir un anneau séparateur 155 solidaire de la portion 151a du conduit tubulaire 151 par des bras 156.

L'espace entre l'anneau séparateur 155 et le conduit tubulaire 151 forme la dérivation 20 par lequel le flux secondaire est prélevé. Quant à l'espace entre le noyau 152 et l'anneau séparateur 155, il est occupé par un étage déviateur 157 comportant une rangée d'aubes dé- viatrices fixes chargées de donner à la vitesse du fluide gazeux une composante orthoradiale. L'étage déviateur 157 est suivi par une turbine 158 tournante équipée d'aubes incurvées et entraînant un arbre 159, un palier de la turbine pouvant être logé dans le noyau de sortie 152. On remarquera que les aubes de l'étage déviateur et de la turbine sont attaquées par le fluide gazeux du flux principal à une température modeste, d'environ 100 degrés Celsius, de sorte qu'il n'est pas besoin de faire appel à des matériaux onéreux résistant aux hautes températures. La figure 8 illustre le principe de fonctionnement de l'étage déviateur 157 et de la turbine 158. Le fluide aborde les aubes de l'étage déviateur 157 avec une vitesse Cl parallèle à l'axe de révolution de l'accélérateur. Le fluide est dévié pour présenter une vitesse C2 à l'entrée de la turbine 158. Si U est la vitesse périphérique de la turbine, on constate alors que le fluide aborde les aubes de la turbine avec une vitesse W2. La vitesse de sortie W3 est égale en module à la vi- tesse W2, et, combinée à la vitesse U périphérique, re- donne en sortie de turbine une vitesse C3 parallèle à l'axe de révolution de l'accélérateur, mais bien sûr moins grande que la vitesse Cl d'entrée. Ainsi, la majeure partie de l'énergie cinétique du fluide a été cap- tée par la turbine 158, sans variation appréciable de la pression du fluide du passage de la turbine.

L'ensemble 100 constitué des deux parties 110 et 150 est visible à la figure 7 est correspond à la partie symbolisée en pointillés sur le schéma de la figure 2. On utilisera avantageusement un fluide de travail du type fluide industriel réfrigérant, de préférence à de l'eau. En effet, la vitesse de propagation du son dans ce type de fluide est en général assez faible (de l'ordre de 100 m/s). Par ailleurs, ces fluides ont une chaleur latente de vaporisation bien inférieure à celle de l'eau (de l'ordre de 100 kj/kg). Ainsi, le fluide de travail, accéléré en supersonique dans l'accélérateur, présente un temps de séjour plus long dans celui-ci, tandis que les gouttelettes du flux secondaire injectées dans l'accélérateur se vaporisent beaucoup plus rapidement, ce qui concourt à l'amélioration du fonctionnement de l'accélérateur. L'invention n'est pas limitée à ce qui vient d'être décrit, mais englobe au contraire toute variante entrant dans le cadre défini par les revendications.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé de conversion en énergie mécanique d'une énergie thermique provenant d'une source chaude se- lon un cycle thermodynamique appliqué à un fluide de tra- vail sec et comprenant les étapes de : a/ réchauffer un flux principal de fluide de travail sous forme gazeuse en prélevant de la chaleur à la source chaude (1,2) ; b/ accélérer le flux principal de fluide de travail sous forme gazeuse, jusqu'à une vitesse supersonique (3,30); c/ injecter dans le flux principal de fluide de travail ainsi accéléré un flux secondaire de fluide de travail sous forme liquide à forte pression, de façon à ce que le fluide du flux secondaire se vaporise instantanément dans le flux principal de sorte que celui-ci voit son entropie diminuée et sa vitesse augmentée ; d/ faire passer le flux principal de fluide de tra- vail dans la turbine (4) en ayant le cas échéant recom- pressé le fluide pour en diminuer sa vitesse de sorte que celle-ci soit subsonique (3) en amont de la turbine, si celle-ci fonctionne sous flux subsonique ; les étapes étant recommencées à chaque cycle, le cycle comprenant en outre l'étape de prélever une partie du flux principal de fluide de travail sous forme vapeur pour la condenser afin de former le flux secondaire liquide qui est injecté comme il est dit à l'étape c/ ; caractérisé en ce que l'enthalpie de liquéfaction dégagée lors de la liquéfaction du fluide du flux se- condaire est récupérée et exploitée pour réchauffer le fluide de travail du flux principal.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel les étapes b/,c/, d/ sont mises en oeuvre à l'aide d'un compresseur thermocinétique (3), la vitesse du fluide du flux principal en sortie du compresseur étant substan- tiellement diminuée pour transformer la quasi-totalité de sa pression dynamique en pression statique, le prélèvement de fluide gazeux pour constituer le flux secondaire étant effectué en sortie du compresseur avant qu'il n'attaque la turbine.
3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'étape d/ consiste à récupérer au moyen de la turbine la majeure partie de l'énergie cinétique du flux principal du fluide de travail, sans variation appréciable de sa pression au passage de la turbine.
4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le flux secondaire est prélevé dans le flux principal de fluide avant que celui-ci n'attaque la turbine et avant qu'il ne soit ralenti.
5. Procédé selon la revendication 1, comprenant, pour le flux secondaire, les étapes de : e/ comprimer le fluide du flux secondaire (5) jusqu'à une pression telle que sa température de vaporisation soit voisine de la température maximale atteinte par le fluide du flux principal à l'issue de l'étape de ré- chauffement a/; f/ liquéfier (6) puis refroidir (7) le condensat du fluide du flux secondaire qui est maintenant liquide ; g/ comprimer le fluide liquide (9) du flux secondaire pour atteindre la pression d'injection de l'étape c/.
6. Dispositif spécialement destiné à mettre en oeuvre le procédé selon l'un des revendications 1 à 5, comportant un conduit tubulaire (111,151) destiné à recevoir un flux de fluide gazeux et comportant un noyau d'entrée (112) terminé par une ogive (115) et portant un organe d'injection (116), le conduit tubulaire formant avec le noyau d'entrée un convergent/divergent présentant un col au-delà duquel le fluide gazeux atteint une vitesse supersonique, et un noyau de sortie (152) commencé par une ogive (154) et formant avec le conduit tubulaire (151) un convergent de ralentissement du fluide à une vitesse subsonique, le noyau de sortie recevant un étage déviateur (157) qui est suivi d'une turbine (158).
7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel le conduit tubulaire a une partie terminale recevant un anneau séparateur (155) pour définir entre le conduit tubulaire (151) et l'anneau séparateur (155) une dérivation annulaire pour prélever du fluide pour le flux secondaire, l'étage déviateur s'étendant quant à lui entre l'anneau séparateur (155) et le noyau de sortie (152).