EP0134431B1 - Procédé thermodynamique approchant le cycle d'Ericsson - Google Patents

Procédé thermodynamique approchant le cycle d'Ericsson Download PDF

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EP0134431B1
EP0134431B1 EP84106748A EP84106748A EP0134431B1 EP 0134431 B1 EP0134431 B1 EP 0134431B1 EP 84106748 A EP84106748 A EP 84106748A EP 84106748 A EP84106748 A EP 84106748A EP 0134431 B1 EP0134431 B1 EP 0134431B1
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heat
mixture
substances
boiling point
substance
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Serafin Mendoza Rosado
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/06—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using mixtures of different fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2250/00—Special cycles or special engines
    • F02G2250/09—Carnot cycles in general

Definitions

  • the invention relates to a method for converting thermal energy into mechanical energy with the aim of improving its efficiency in approximation to the Ericsson cycle, in particular a method for producing mechanical work in a single cyclic process by means of a mixed process fluid consisting of a plurality of substances. which have different boiling points.
  • the En-Flex system uses a mixture of a low-boiling substance such as Freon and a high-boiling substance such as a eutectic mixture of 26.5% diphenyl and 73.5% diphenyl oxide (hereinafter referred to as D-A).
  • the former is used in the cycle as a process fluid, while the latter is used as a heat storage substance only in the liquid phase.
  • the type of mixture is similar to that of the proposed process, the duty cycle itself bears no resemblance to the process according to the invention because the D-A is never evaporated. Only the freon evaporates.
  • a process fluid which consists of a group of substances with different vapor pressures at given temperatures, so that the saturation pressure of the least volatile substance at the thermal level of the heat source is greater than the saturation pressure of the most volatile substance at the thermal level of the heat sink, but is sufficiently close to it.
  • the substances to be used as process fluid can be miscible or immiscible in the liquid state.
  • the fluids mentioned were chosen mainly because of their easy procurement, their low cost and the great experience in their use in heat transfer processes. Nevertheless, the fluid DA has a significant disadvantage, which is in its thermal stability range. Although this is relatively high (over 673 ° K according to the manufacturer's information) and enables easy regeneration, this also limits the highest value of the process heat to this temperature and thus also the absolute conversion efficiency (if the heat source delivers or enables higher temperatures). Of course, this disadvantage does not arise when using fluids with a higher thermal stability.
  • the distilled water as a more volatile process fluid, does not appear to meet the process conditions.
  • it is a composite with a smaller molecular mass and therefore also with a very large latent heat of the phase change under conditions which are within the working range of the critical temperature with respect to the mean specific heat of the liquefied fluids. And therefore it causes the slope of the heating isobars of said liquid phase to be very high. Practically - within the above-mentioned limits - this isobar is very close to the isoentropic curve in the context of the course of the process, because the other isobaric curves of the same have significantly smaller slopes.
  • FIG. 2 shows a T-s diagram of the reversible cycle course which the cyclical process according to the invention approximates with the mixture of water and D-A.
  • the shaded areas represent the loss of the reversible cycle compared to the ideal Ericsson cycle.
  • FIG. 1 shows a Ts diagram of the (theoretical) Ericsson process mentioned above in advance. Thereafter, during a first isothermal change of state at a high temperature level T 1, heat Q 1 is absorbed by the source and work W 1 is given. During the second opposite isothermal change of state at a low temperature level T2, heat Q2 is released to the sink and work W2 is taken up. During the completion of the isobaric state change with identical mean specific heat, the process fluid exchanges heat Q3 with itself by regenerating itself.
  • FIG. 2 shows the corresponding diagram of the two-stage method according to the invention. The isobars forming part of the diagram correspond to the mean specific conversion heat values. The areas shown in broken lines in FIG. 2 indicate the low losses in the method according to the invention compared to the ideal process.
  • FIG. 3 shows a process with two stages of expansion.
  • Figure 4 provides the various elements of a process four stages of expansion.
  • the preferred process fluid has the characteristics described in more detail above in order to achieve the desired high efficiency when used in the process according to the invention.
  • Figure 3 which relates to the process with two expansion stages, the heat is recovered by the heat exchangers CI, C-II and EI.
  • FIG. 4 shows a process with four expansion stages, in which the three stages of heat recovery are formed by the heat exchangers CI to C-III and EI to E-III.
  • the process variables are defined for the inlets and outlets of the corresponding elements shown in FIG. 3.
  • Example II the various process sizes at the inlets and outlets of the different elements are shown, which are shown in FIG.
  • the process variables illustrate that the process shows improved results in practical use, in the sense of a higher efficiency in relation to the efficiency of the theoretical process cycle.
  • the main aim of these examples is not to achieve the highest possible conversion of thermal into mechanical energy by the presented method, but rather to provide the proof that at two predetermined and - to make the absolute value of the converted energy worthwhile - sufficiently different temperature levels (in the example given, they are between 668 ° K and 298 ° K.
  • the practical application of this method makes it possible to approximate the theoretical efficiency of the Ericsson cycle between said thermal levels, with an efficiency that is far higher than that of any other real known method.
  • Liquid collection container (DL-I)
  • the pipe outlet steam from the heat exchanger E-III enters this turbine.
  • Water is usually used as the cooling fluid and circulates in the housing of the heat exchanger.
  • the liquid DA is supplied from this container DL-III.
  • the container DL-IV is provided with the appropriate vacuum unit to create and maintain the necessary process conditions.
  • the fluids chosen for the process example are selected according to the criteria already mentioned and are logically not optimal in order to achieve a good conversion efficiency under the given conditions.
  • the method calculated as an example has not been optimized in any way.
  • the pressure drops in the turbines were set quite arbitrarily and the minimum gradients in the heat exchangers could be optimized by approximation. So e.g. Under these conditions, the heat exchanger E-II could allow an additional water evaporation of about 1 kg / s.
  • the absolute efficiency can be increased, namely by using a fluid that is thermally stable even at higher temperatures, or by using the same fluids from the example after an optimization of the process and by the provision of higher temperature levels in the first process stage (Brayton or Rankine cycle).
  • the isentropic efficiency of the first 3 turbines would be very high, in the order of 90%.
  • the isentropic efficiency of the last turbine would be somewhat lower, on the order of 80%.
  • thermodynamic method allows a practical approximation of the conversion efficiency of the thermal energy contained between two specific and sufficiently separated temperature levels (heat source / heat discharge) to the conversion efficiency of a thermodynamic consisting of two isotherms (absorption and release) and two isobars Cycle that achieves the same efficiency as the Ericsson cycle.
  • thermodynamic consisting of two isotherms (absorption and release) and two isobars Cycle that achieves the same efficiency as the Ericsson cycle.

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Claims (12)

  1. Procédé de production d'énergie mécanique à cycle unique utilisant un mélange des fluides qui se compose d'un nombre de substances ayant des point d'ébullition différents, caractérisé en ce que:
    a)
    1) à une température et pression maximales données, le mélange des vapeurs des substances se trouve sec et pratiquement saturé en vapeur de la substance ayant le point d'ébullition le plus élevé,
    2) la substance ayant le point d'ébullition le plus bas se sature à la température minimale de travail et à la pression minimale de travail,
    3) sous la pression absolue d'un bar, le point d'ébullition de la substance la moins volatile se trouve au moins 100°C au-dessus du point d'ébullition de la substance la plus volatile;
    b) au moins une expansion du mélange des vapeurs, qui se trouve pratiquement saturé en substance ayant le point d'ébullition le plus élevé, a lieu dans une machine d'expansion, depuis la pression supérieure de travail jusqu'à la pression inférieure de travail, passant au travers d'une série de pressions intermédiares;
    c) au moins une opération de récupération a lieu, à l'aide du transfert de chaleur entre le mélange des substances qui s'échappe de la machine d'expansion, ceci en dégageant sa chaleur et condensant donc, au moins, une partie de ses substances, et le mélange provenant du condenseur final et subséquement comprimé à des pressions intermédiaires immédiatement supérieures a celles du côté chaud de l'étape de récupération de chaleur; ce dernier mélange absorbe la chaleur, et une partie de ses substances se vaporisent;
    d) au condenseur final, à la température la plus réduite de travail, une condensation complète du mélange provenant de la dernière étape de la récupération de chaleur se produit; et
    e) une cession de chaleur effectué au mélange provenant du côté chaud de l'échangeur de chaleur à un niveau thermique plus élevé que celui du mélange cité anterieurement, et l'échauffement continuant jusqu'au moment ou toutes les portions liquides du mélange correspondant à la substance ayant le point d'ébullition le plus élevé se vaporisent et, en conséquence, une vapeur saturée ou légèrement surchauffée est generée.
  2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par une expansion du mélange dans une turbine en plusieurs étapes, d'une manière telle que ce mélange passe par une série de pressions intermédiaires, entre des paires successifs de turbines, et une récupération de la chaleur du mélange qui s'échappe de la turbine se produit.
  3. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par un mélange des masses donné qui se vaporise d'une manière telle que la substance avec le points d'ébullition le plus bas se vaporise complètement à l'étape de récupération de chaleur, par suite de l'absorption de la chaleur de condensation de la substance ayant le point d'ébullition le plus élevé, qui circule à travers le côté chaud de l'échangeur de chaleur; la vapeur ainsi generée soutient la vaporisation continue des substances restantes, jusqu'à ce que celles-ci arrivent à la composition molaire de saturation pour chacune des températures et que la pleine vaporisation de toutes les substances se produit à la température maximale de sortie des étapes de récupération de chaleur, à l'exception de la substance ayant le point d'ébullition le plus élevé, qui reste en deux phases et se vaporise après complètement dans un récepteur externe d'énergie, arrivant à la températures la plus élevée de travail; et les vapeurs abandonnant la turbine circulant par le côté chaud de l'échangeur de chaleur dégagent sa chaleur à cette place, et la condensation des substances ayant le point d'ébullition le plus élevé a lieu d'une manière telle que, pour chaque température, la composition des substances saturées dans le mélange correspond à dite température et la pression partielle de saturation.
  4. Procédé suivant la revendication 3, caractérisé par une vaporisation des substances miscibles, qui se produit d'une manière telle que la vaporisation de la substance ayant le point d'ébullition le plus bas ne se produit ni individuellement ni isothermiquement, entraînant une partie des vapeurs des autres substances.
  5. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par une séparation des phases ayant lieu à la sortie du mélange du côté froid de chacune des étapes de recupération de chaleur, avant l'étape ayant le niveau thermique le plus élevé, afin de porter la phase vapeur vers la turbine précédant chacune des étapes de récupération de chaleur, et porter la phase liquide vers un point de température similaire de la part d'absorption de chaleur, soit separèe, soit mélangée avec les phases liquides provenantes des autres étapes de séparation.
  6. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par une séparation des phases ayant lieu à la sortie du côté froid de l'étape de récupération de chaleur ayant le niveau thermique le plus élevé, afin de porter la phase liquide vers un récepteur externe d'énergie, et la phase de vapeur vers un tank d'évaporation subite ou la phase vapeur se mélange avec les vapeurs génerées a cause de l'évaporation subite de la phase liquide échauffée.
  7. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par l'échange de chaleur à chacun des niveaux de pression se produisant dans un, ou plusieurs, échangeurs de chaleur situés en séquence série, en fonction des différentes caractéristiques des mélanges pendant l'échange de chaleur.
  8. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par une séparation de phase ayant lieu à la sortie du côté chaud de, au moins, un des échangeurs de chaleur, afin de porter la phase vapeur vers l'étape suivante consistante à un échangeur de chaleur, une turbine ou un condenseur, et porter la phase liquide, après avoir été comprimée, vers un point de température similaire de la part d'absorption de chaleur, soit séparée, soit mélangée avec les phases liquides des autres étapes de séparation.
  9. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par un mélange quittant la dernière turbine qui est porté, avec ou sans séparation des phases préalable, directement vers le condenseur; aucune transfert de chaleur n'ayant pas lieu après la dernière turbine.
  10. Procédé suivant la revendicaation 3, caractérisé par une séparation de toutes les substances immiscibles, celles-ci étant séparées en phase liquide à l'étape d'absorption de chaleur, et étant mélangées subséquement avec la vapeur qui passe par l'échangeur de chaleur, permettant ainsi une conception telle qu'elle soit de l'échangeur de chaleur.
  11. Procédé suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que, en cas de récupération de chaleur à partir d'une source de chaleur variable, l'énergie résiduelle au dessous de la température maximale de travail pourrait aussi être absorbée, afin d'échauffer et de vaporiser les différentes substances, completant ainsi l'absorption de chaleur qui a lieu dans le mélange quittant la turbine, ou remplaçant complètement cette absorption, soit en raison du mélange des substances qui expérimente une expansion humide, soit en raison de la chaleur récuperée pour chauffage dans un autre cycle secondaire.
  12. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé par l'utilisation d'un mélange se composant d'unes masses telle que la substance présentant le point d'ébullition le plus bas se vaporise complètement aux étapes de récupération de chaleur, et la vapeur ainsi generée soutient la vaporisation continuelle des substances restantes, jusqu'à ce que celles-ci arrivent à la composition molaire de saturation et que la pleine vaporisation de toutes les substances se produit à la température maximale de la sortie des étapes de récupération de chaleur, à l'exception de la substance ayant le point d'ébullition le plus élevé, qui reste encore en deux phases avant de sa vaporisation totale dans un récepteur externe d'énergie, arrivant ainsi à la température maximale de travail.
EP84106748A 1983-06-13 1984-06-13 Procédé thermodynamique approchant le cycle d'Ericsson Expired - Lifetime EP0134431B1 (fr)

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ES523210A ES8605328A1 (es) 1983-06-13 1983-06-13 Un procedimiento de generacion de energia mecanica trabajando con una mezcla de fluidos de distintos puntos de ebullicion.

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EP0134431A2 EP0134431A2 (fr) 1985-03-20
EP0134431A3 EP0134431A3 (en) 1985-11-27
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JPS6062608A (ja) 1985-04-10
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