FR3120571A1 - Dispositif de turbomachine tritherme et vehicule comprenant un tel dispositif - Google Patents

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Abstract

L’invention concerne un dispositif de turbomachine du type à cycle turbine à gaz avec compression refroidie, régénérateur et réchauffe durant la détente (IRReGT). L’invention concerne des applications pour véhicules automobiles. Le dispositif de turbomachine comprend un premier turbocompresseur (C1, T2), un deuxième turbocompresseur (C2, T1), deux chambres de combustion (CC1, CC2) ou une ligne d’échappement (EL), un refroidisseur (IC), et un échangeur thermique (E1).Le dispositif est configuré pour mettre en œuvre un flux de fluide (F1) du premier compresseur (C1) vers le refroidisseur (IC), vers le deuxième compresseur (C2), vers l’échangeur thermique (E1), vers les turbines (T1, T2).Selon un aspect, le dispositif comprend au moins une section de conditionnement d’habitacle de véhicule comprenant au moins un moyen de production de froid (E1F, E2F) et/ou chaleur (E1C) sur la base dudit flux (F1).

Description

DISPOSITIF DE TURBOMACHINE TRITHERME ET VEHICULE COMPRENANT UN TEL DISPOSITIF
L’invention se rapporte au domaine des dispositifs et systèmes de turbomachine du type à cycle Brayton avec compression refroidie, et réchauffe durant la détente. Ce type de turbomachine comprend généralement des turbines et compresseurs pouvant être associés à des chambres de combustion avec une récupération de chaleur. L’invention concerne en particulier des applications utiles pour des véhicules automobiles.
Le cycle turbogénérateur avec refroidisseur (« intercooler »), récupérateur et échangeur de chaleur de type IRReGT («Intercooled Regenerative Reheat Gas Turbine») est un cycle à fort potentiel. Ce cycle permet d’atteindre un rendement très important mais aussi une densité de puissance très élevée (travail net spécifique élevé).
Ce type de turbomachine utilise des pièces en mouvement et produit de la chaleur. L’invention vise à utiliser ces mouvements et chaleurs produites pour mettre en œuvre une production de chaleur et/ou de froid d’habitacle de véhicule automobile, ainsi qu’une génération d’énergie électrique.
Pour atteindre cet objectif, l’invention concerne un dispositif de turbomachine pour véhicule automobile, le dispositif comprenant
- un premier turbocompresseur comprenant un premier compresseur et une première turbine ;
- un deuxième turbocompresseur comprenant un deuxième compresseur et une deuxième turbine ;
- un refroidisseur de flux connecté au premier compresseur et au deuxième compresseur ;
- un échangeur thermique connecté, de préférence à une sortie d’échappement et, au deuxième compresseur , lui-même étant connecté aux deux turbines ;
le dispositif étant configuré pour mettre en œuvre un premier flux de fluide du premier compresseur vers le refroidisseur, vers le deuxième compresseur, vers l’échangeur thermique, vers les turbines,
caractérisé en ce qu’il comprend au moins une section de conditionnement d’habitacle de véhicule comprenant au moins un moyen de production de froid et/ou chaleur sur la base dudit flux.
Avantageusement, l’agencement du dispositif selon l’invention permet de mettre à profit la chaleur de la turbomachine et de la ligne d’échappement pour réaliser une production de froid et/ou de chaleur pour l’habitacle du véhicule. Cela aboutit à une baisse significative de la consommation de carburant.
Selon d’autres aspects pris isolément, ou combinés selon toutes les combinaisons techniquement réalisables :
- la section de conditionnement d’habitacle comprend une dérivation de flux entre le deuxième compresseur et le premier échangeur thermique, un premier échangeur refroidissant, une turbine de conditionnement connectée en aval du premier échangeur refroidissant, un deuxième échangeur refroidissant de production de froid d’habitacle connecté en aval de la turbine de conditionnement ; et/ou
- la turbine de conditionnement est une turbine de turbocompresseur associée à un compresseur de conditionnement connecté en aval soit entre le premier compresseur et le refroidisseur, soit en amont du le premier compresseur ; et/ou
- la section de conditionnement d’habitacle comprend un circuit de conditionnement d’habitacle passant par le refroidisseur associé à une pompe de circulation pour un deuxième flux de fluide, le circuit de conditionnement comportant un échangeur chauffant ; et/ou
-la section de conditionnement d’habitacle comprend une dérivation de flux entre le deuxième compresseur et le premier échangeur thermique, un échangeur de chaleur supplémentaire couplé au circuit de conditionnement et au flux issu de la dérivation, une turbine de conditionnement connectée en aval de l’échangeur de chaleur supplémentaire, un premier échangeur refroidissant de production de froid d’habitacle connecté en aval de la turbine de conditionnement ; et/ou
- la turbine de conditionnement est une turbine de turbocompresseur associée à un compresseur de conditionnement connecté en aval soit entre le premier compresseur et le refroidisseur, soit en amont du le premier compresseur ; et/ou
- le dispositif de turbomachine comprend un deuxième échangeur thermique entre les deuxième et première turbines, optionnellement associé à un circuit de chauffage comportant un concentrateur solaire ; et/ou
- les turbocompresseurs sont montés sur des axes séparés ; et/ou
le dispositif comporte un générateur électrique sur chacun desdits axes.
L’invention porte en outre sur un véhicule automobile comprenant un dispositif de turbomachine selon l’invention.
L’invention sera davantage détaillée par la description de modes de réalisation non limitatifs, et sur la base des figures annexées illustrant des variantes de l’invention, dans lesquelles :
- illustre un schéma fonctionnel d’un dispositif de turbomachine selon un premier mode de réalisation préféré de l’invention ;
- illustre une première variante alternative du premier mode de réalisation ;
- illustre une deuxième variante alternative du premier mode de réalisation ;
- illustre un schéma fonctionnel d’un dispositif de turbomachine selon un deuxième mode de réalisation ;
- illustre une variante alternative du deuxième mode de réalisation ; et
- illustre schématiquement une vue de dessus d’un dispositif de turbomachine selon le deuxième mode de réalisation.
L’invention concerne un dispositif de turbomachine du type à cycle turbine à gaz avec compression refroidie, régénérateur et réchauffe durant la détente (IRReGT). L’invention concerne en particulier des applications utiles pour des véhicules automobiles.
Le dispositif de turbomachine comprend un premier turbocompresseur et un deuxième turbocompresseur.
Le premier turbocompresseur comprend un premier compresseur C1 et une première turbine T2.
Le deuxième turbocompresseur comprend un deuxième compresseur C2 et une deuxième turbine T1.
En particulier, il s’agit de turbomachines (compresseurs et turbines), de type radiales. Sur ce type de machine, le fluide de travail, air en cas du compresseur et gaz dans le cas de la turbine, ont une trajectoire radiale entre l’entrée et la sortie.
Les turbocompresseurs sont de préférence électrifiés, c’est-à-dire qu’ils comportent chacun un générateur électrique G1, G2. Dans la variante préférée, il s’agit d’une machine électrique opérant à la fois en mode moteur et générateur, c’est-à-dire moteur pour entrainer et démarrer le système ; et générateur pour récupérer l’énergie.
Le dispositif de turbomachine comprend en outre un refroidisseur de flux IC. Le refroidisseur de flux IC est connecté au premier compresseur C1 et au deuxième compresseur C2.
Le dispositif de turbomachine comprend en outre un échangeur thermique E1. L’échangeur thermique E1 est connecté au deuxième compresseur C2 et le circuit du fluide F1 se poursuit en aval.
Le dispositif de turbomachine peut être couplé à une sortie d’échappement EL ou à des chambres de combustion CC1, CC2 selon le mode de réalisation considéré.
Dans le cas de la ligne d’échappement EL (premier mode de réalisation), celle-ci et connectée à l’échangeur thermique E1 pour en utiliser la chaleur. Ainsi, le dispositif concerne alors un système de récupération thermique de la chaleur de la ligne d’échappement, utilisant l’énergie thermique des gaz d’échappement comme source d’énergie.
Dans le cas des chambres de combustion (deuxième mode de réalisation), celles-ci sont disposées en aval du premier échangeur de chaleur E1 et entre les turbines T1, T2. En particulier, l’échangeur thermique E1 est connecté à la première chambre de combustion CC1 en amont des turbines T1, T2. La première chambre de combustion CC1 est en outre connectée à la deuxième turbine T1 dans une variante, ou à la première turbine T2 dans une autre variante (non représentée).
La deuxième chambre de combustion CC2 est connectée aux deux turbines T1, T2.
Le dispositif est configuré pour mettre en œuvre un flux de fluide F1 du premier compresseur C1 vers le refroidisseur IC. Le flux F1 passe ensuite du refroidisseur IC vers le deuxième compresseur C2. Le flux F1 passe ensuite du deuxième compresseur C2 vers l’échangeur thermique E1. Le flux F1 passe ensuite de l’échangeur thermique E1 (ou récupérateur RE) vers les turbines T1, T2.
Selon un aspect de l’invention, le dispositif de turbomachine comprend au moins une section de conditionnement d’habitacle de véhicule comprenant au moins un moyen de production de froid (E1F) et/ou chaleur (E1C) sur la base dudit flux F1. Ces productions de froid et chaleur d’habitacle sont illustrées dans les figures 1 à 5 par des larges flèches verticales orientées vers le bas.
Avantageusement, l’agencement du dispositif selon l’invention permet de mettre à profit la chaleur de la turbomachine et de la ligne d’échappement EL ou la chaleur issue de la première turbine pour réaliser une production de froid et/ou de chaleur pour l’habitacle du véhicule. Cela aboutit à une baisse significative de la consommation d’énergie du véhicule.
Ainsi, le dispositif permet de produire de l’énergie thermique (chaud et froid). En effet, le refroidisseur IC sert à évacuer une quantité de chaleur à l’extérieur du cycle. Cette énergie thermique est récupérée au niveau du refroidisseur IC et pourra être utilisée pour chauffer au niveau d’un échangeur chaud (E1C).
Selon une variante, la section de conditionnement d’habitacle comprend une dérivation de flux F3 entre le deuxième compresseur C2 et le premier échangeur thermique E1. Le flux F3 de cette dérivation est utilisé pour produire du froid dans l’habitacle. En aval de la dérivation de flux F3 est prévu un premier échangeur refroidissant E1F, une turbine de conditionnement T1Fconnectée en aval du premier échangeur refroidissant E1F. En outre, un deuxième échangeur refroidissant E2Fde production de froid d’habitacle est prévu, connecté en aval de la turbine de conditionnement T1F. Cette variante peut être illustrée par la . Cela permet de limiter la consommation énergétique pour rafraîchir l’habitacle.
Ainsi, le dispositif permet de produire du froid en récupérant de l’air sous pression en sortie du compresseur C2, puis le refroidir via un refroidisseur E1F, et le faire subir une détente productrice de travail. L’air en sortie de la turbine T1Fva ainsi refroidir, ce qui va permettre de produire du froid au niveau d’un échangeur froid (E2F).
Selon une variante, la turbine de conditionnement T1Fest une turbine de turbocompresseur associée à un compresseur de conditionnement C1F. Le compresseur de conditionnement C1Fest connecté en aval soit entre le premier compresseur C1 et le refroidisseur IC, soit en amont du le premier compresseur C1. Ainsi, de l’air de préférence filtré (filtre f) passe par le compresseur de conditionnement C1Fet peut être réinjecté dans le circuit de F1.
Selon une variante, la section de conditionnement d’habitacle comprend un circuit de conditionnement d’habitacle Ci1 passant par le refroidisseur IC. Le circuit de conditionnement Ci1 associé à une pompe de circulation P pour un deuxième flux de fluide F2. Le circuit de conditionnement Ci1 comporte un échangeur chauffant E1Cpermettant de produire la chaleur. Avantageusement, cela permet de mettre à profit les échanges de chaleur du refroidisseur IC pour produire de la chaleur pour l’habitacle.
Ainsi, faire circuler le fluide F2 en utilisant la pompe P, permet de ramener des calories du refroidisseur IC pour les rejeter à l’extérieur au niveau de l’échangeur chaud (E1C), produisant ainsi du chaud. Cela est bénéfique surtout en temps froid. En outre, cela permet de ne pas dépendre d’une récupération de calories de moteur (souvent récupérées sur le circuit eau lorsqu’il fait froid). Ainsi cela permet de réduire la consommation électrique nécessaire pour activer les résistances électriques. Cette variante permet de récupérer l’énergie du refroidisseur IC sans générer de perte de charge sur le circuit échappement contrairement à un dispositif d’échangeur de chaleur à l’échappement de type RTE (Récupération Thermique Echappement) de l’art antérieur.
Dans un deuxième mode de réalisation, l’échangeur thermique E1 ou récupérateur RE est connecté à la sortie de la première turbine T2.
Selon une variante, la section de conditionnement d’habitacle comprend une dérivation de flux F3 entre le deuxième compresseur C2 et le premier échangeur thermique E1. Le flux F3 passe ensuite dans l’échangeur de chaleur ICFavant d’arriver en aval à une turbine de conditionnement T1Fpuis à un échangeur refroidissant E1Fde production de froid. Cette variante peut être illustrée par la .
On peut prévoir un échangeur de chaleur ICFsupplémentaire couplé au circuit de conditionnement Ci1 et au flux F3 issu de la dérivation ou un récupérateur RE2 supplémentaire couplé au circuit de conditionnement Ci1 et au flux F1 issu de la première turbine T2.
Selon une variante, le dispositif de turbomachine comprend un deuxième échangeur thermique E2 entre les deuxièmes et premières turbines T1, T2. Selon le mode de réalisation envisagé, le deuxième échangeur thermique E2 peut être associé à au moins un circuit de chauffage Ci2 associé à la ligne d’échappement EL comme l’illustre les figures 2 et 3 ; ou au moins un circuit de chauffage Ci2 comportant un concentrateur solaire SR comme l’illustre la .
Selon un aspect de l’invention, les turbocompresseurs sont montés sur des axes A1, A2 séparés.
Avantageusement, l’agencement du dispositif selon l’invention est permet d’avoir une architecture facilement intégrable en séparant les deux turbocompresseurs sans nécessiter d’avoir un long axe commun avec un sens de rotation commun. Le fait d’avoir deux turbocompresseurs chacun sur son axe, au lieu d’un seul, permet de réduire la longueur de l’axe, et d’avoir plus de flexibilités vis-à-vis des points de fonctionnement ainsi que vis-à-vis de l’intégration. Cela permet donc de réduire la complexité du dispositif, de réduire les contraintes de fabrication du système, de réduire la masse totale de la machine et de minimiser le volume total.
Ces avantages sont bénéfiques pour optimiser un turbogénérateur conçu pour être intégré dans une chaîne de traction automobile.
En particulier, le premier turbocompresseur forme un étage « basse pression », et le deuxième turbocompresseur forme un étage « haute pression »
Selon la variante désirée, on peut également coupler le deuxième compresseur C2 (compresseur HP) à la première turbine T2 (turbine BP) en fonction de l’équilibrage des puissances.
Selon une variante, les générateurs électriques G1, G2 sont sur chacun desdits axes. On peut en outre prévoir un générateur supplémentaire G1Fsur un axe de turbine de conditionnement T1F.
Les configurations de turbocompresseur, et l’architecture mentionnée permettent d’augmenter le rendement de récupération (puissance électrique nette divisée par l’énergie disponible à l’échappement) ; de diminuer le débit d’air ce qui permet de réduire la masse et la taille des composants ; d’améliorer la production de froid, du fait de l’utilisation d’une détente plus importante (l’utilisation d’une compression refroidie) suivi d’un refroidissement et d’une détente ; le système permet des rendements largement supérieurs aux rendements connus des machines de récupération thermique type ORC (Organique Rankine Cycle), SRC (Steam Rankine Cycle), Brayton simple, Thermoacoustique, Thermoélectricité, Stirling…
Un autre objet de l’invention a trait à un véhicule automobile comprenant un dispositif de turbomachine tel que décrit précédemment. Il s’agit en particulier d’un véhicule à moteur de traction électrique de préférence de type hybride.
L’invention permet de produire de l’énergie électrique, de l’énergie thermique « chaud » et de l’énergie thermique « froid ». Elle est compatible avec hybride électrique (moteur thermique associé à un moteur électrique).

Claims (10)

  1. Dispositif de turbomachine pour véhicule automobile, le dispositif comprenant
    - un premier turbocompresseur comprenant un premier compresseur (C1) et une première turbine (T2) ;
    - un deuxième turbocompresseur comprenant un deuxième compresseur (C2) et une deuxième turbine (T1) ;
    - un refroidisseur (IC) de flux connecté au premier compresseur (C1) et au deuxième compresseur (C2) ;
    - un échangeur thermique (E1) connecté, de préférence à une sortie d’échappement (EL) et, au deuxième compresseur (C2), lui-même étant connecté aux deux turbines (T1, T2) ;
    le dispositif étant configuré pour mettre en œuvre un premier flux de fluide (F1) du premier compresseur (C1) vers le refroidisseur (IC), vers le deuxième compresseur (C2), vers l’échangeur thermique (E1), vers les turbines (T1, T2),
    caractérisé en ce qu’il comprend au moins une section de conditionnement d’habitacle de véhicule comprenant au moins un moyen de production de froid (E1F, E2F) et/ou chaleur (E1C) sur la base dudit flux (F1).
  2. Dispositif de turbomachine selon la revendication 1, caractérisé en ce que la section de conditionnement d’habitacle comprend une dérivation de flux (F3) entre le deuxième compresseur (C2) et le premier échangeur thermique (E1), un premier échangeur refroidissant (E1F), une turbine de conditionnement (T1F) connectée en aval du premier échangeur refroidissant (E1F), un deuxième échangeur refroidissant (E2F) de production de froid d’habitacle connecté en aval de la turbine de conditionnement (T1F).
  3. Dispositif de turbomachine selon la revendication 2, caractérisé en ce que la turbine de conditionnement (T1F) est une turbine de turbocompresseur associée à un compresseur de conditionnement (C1F) connecté en aval soit entre le premier compresseur (C1) et le refroidisseur (IC), soit en amont du le premier compresseur (C1).
  4. Dispositif de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la section de conditionnement d’habitacle comprend un circuit de conditionnement d’habitacle (Ci1) passant par le refroidisseur (IC) associé à une pompe de circulation (P) pour un deuxième flux de fluide (F2), le circuit de conditionnement (Ci1) comportant un échangeur chauffant (E1C).
  5. Dispositif de turbomachine selon la revendication 4, caractérisé en ce que la section de conditionnement d’habitacle comprend une dérivation de flux (F3) entre le deuxième compresseur (C2) et le premier échangeur thermique (E1), un échangeur de chaleur (ICF) supplémentaire couplé au circuit de conditionnement (Ci1) et au flux (F3) issu de la dérivation, une turbine de conditionnement (T1F) connectée en aval de l’échangeur de chaleur (ICF) supplémentaire, un premier échangeur refroidissant (E1F) de production de froid d’habitacle connecté en aval de la turbine de conditionnement (T1F).
  6. Dispositif de turbomachine selon la revendication 5, caractérisé en ce que la turbine de conditionnement (T1F) est une turbine de turbocompresseur associée à un compresseur de conditionnement (C1F) connecté en aval soit entre le premier compresseur (C1) et le refroidisseur (IC), soit en amont du premier compresseur (C1).
  7. Dispositif de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant un deuxième échangeur thermique (E2) entre les deuxième et première turbines (T1, T2), optionnellement associé à un circuit de chauffage comportant un concentrateur solaire.
  8. Dispositif de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les turbocompresseurs sont montés sur des axes (A1, A2) séparés.
  9. Dispositif de turbomachine selon la revendication 8, comportant un générateur électrique (G1, G2) sur chacun desdits axes (A1, A2).
  10. Véhicule automobile comprenant un dispositif de turbomachine selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.
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