EP3438422A1 - Dispositif de régulation de la charge fluidique en circulation dans un système basé sur un cycle de rankine - Google Patents

Dispositif de régulation de la charge fluidique en circulation dans un système basé sur un cycle de rankine Download PDF

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EP3438422A1
EP3438422A1 EP18187083.3A EP18187083A EP3438422A1 EP 3438422 A1 EP3438422 A1 EP 3438422A1 EP 18187083 A EP18187083 A EP 18187083A EP 3438422 A1 EP3438422 A1 EP 3438422A1
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EP
European Patent Office
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reservoir
pressure
working fluid
fluid
exchanger
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EP18187083.3A
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German (de)
English (en)
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EP3438422B1 (fr
Inventor
Arnaud LANDELLE
Nicolas Tauveron
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
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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
    • F01K3/00—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein
    • F01K3/004—Accumulation in the liquid branch of the circuit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22D—PREHEATING, OR ACCUMULATING PREHEATED, FEED-WATER FOR STEAM GENERATION; FEED-WATER SUPPLY FOR STEAM GENERATION; CONTROLLING WATER LEVEL FOR STEAM GENERATION; AUXILIARY DEVICES FOR PROMOTING WATER CIRCULATION WITHIN STEAM BOILERS
    • F22D11/00—Feed-water supply not provided for in other main groups
    • F22D11/02—Arrangements of feed-water pumps
    • F22D11/04—Arrangements of feed-water pumps with means to eliminate steam formation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22D—PREHEATING, OR ACCUMULATING PREHEATED, FEED-WATER FOR STEAM GENERATION; FEED-WATER SUPPLY FOR STEAM GENERATION; CONTROLLING WATER LEVEL FOR STEAM GENERATION; AUXILIARY DEVICES FOR PROMOTING WATER CIRCULATION WITHIN STEAM BOILERS
    • F22D5/00—Controlling water feed or water level; Automatic water feeding or water-level regulators
    • F22D5/26—Automatic feed-control systems

Definitions

  • the present invention relates to systems for producing electrical or mechanical energy.
  • thermodynamic cycle of Rankine It finds for advantageous application the systems of production of energy of small power, calling on a thermodynamic cycle of Rankine. It will apply, for example, to the production of energy from low-temperature heat discharges produced by factories, particularly in the processing industry (metallurgy, chemistry, paper mills), by thermal engines of vehicles or from heat from systems recovering solar energy or from biomass.
  • the present invention will find an application particularly for the thermal management of embedded systems, small power or having significant power variations over time.
  • Rankine cycles are all based on transformations successively comprising: the pumping of a working fluid in liquid form, the creation of steam and its possible overheating, the relaxation of the steam to generate a movement and the condensation of the vapor.
  • the working fluid may be selected from water, carbon dioxide, ammonia or an organic fluid or a mixture of these components. In the latter case, we speak of organic Rankine cycle.
  • the majority of thermal power generation systems are based on the use of such cycles.
  • thermodynamic cycle it is on this type of thermodynamic cycle that the majority of nuclear power plants, coal-fired power plants, or heavy-fuel thermal power plants are based in order to produce high power.
  • the hot springs have a very high power and temperature.
  • thermal discharges that is to say thermal discharges whose temperature is most often less than 200 ° C, or even lower at 150 ° C.
  • Systems based on a Rankine cycle would theoretically produce electrical or mechanical energy from these heat discharges.
  • the powers that could be produced would then be relatively low, typically of the order of a few kilowatts to a hundred kilowatts for thermal discharges below one megawatt, because of the low thermodynamic efficiency.
  • Subcooling which is the difference between the pump inlet temperature and the fluid saturation temperature, is called subcooling. Too much subcooling indicates that there is too much liquid in the condenser, which leads to a degradation of the performance of the Rankine machine by increasing the condensing pressure. Inversely, insufficient subcooling leads to a risk of cavitation at the pump inlet and therefore a degradation of the performances of the Rankine machine as well as accelerated wear of the pump.
  • Cavitation occurs when the pumped liquid vaporizes at low pressure. This occurs because of insufficient pressure at the pump inlet relative to the fluid saturation pressure, in other words, when there is an NPSHa (positive net Suction Head available), or margin of cavitation, insufficient. When cavitation appears, vapor bubbles are created at low pressure. While the liquid flows from the suction of the pump to its outlet, the bubbles implode, creating shock waves that attack the pump and cause vibrations in the pump, a decline in performance and mechanical damage that can lead to premature wear or even the complete destruction of the pump at different levels
  • the temperature at the pump inlet is determined and limited by the cold source and the heat exchange at the condenser.
  • the cavitation margin or the subcooling are therefore directly related to the condensation pressure.
  • the closed circuit operating in a Rankine cycle comprises a closed reservoir containing the fluid in the liquid state stitched on the pump line connecting the condenser to the pump.
  • the tank is connected to a pressure regulator device for pressurizing the tank by a regulator regulator injecting a gas type air or nitrogen and a depressurization of the tank by a valve for discharging a portion of the gaseous fluid out of the tank.
  • the control device therefore uses an external gas and a control unit receiving the information from various sensors to control the expander and the valve.
  • the fluid at the pump inlet has a sufficient level of subcooling with the absence of fluid in the vapor phase thus limiting the risk of cavitation.
  • the fluid circuit of the system being configured so that the working fluid passes successively through at least the pump, the first exchanger, the expander and the second heat exchanger, then again the pump.
  • the system typically comprises a device for regulating the fluidic charge circulating in the fluidic circuit comprising advantageously thermal energy supply elements in the reservoir, advantageously intended to increase the pressure of the reservoir and inject working fluid from the reservoir into the fluidic circuit, and energy removal elements of the reservoir, advantageously intended to reduce the tank pressure and draw working fluid from the fluid circuit to the tank.
  • the regulating device is advantageously configured to operate in a closed circuit with the fluid circuit and advantageously to maintain saturation conditions in the reservoir so that the reservoir contains the working fluid simultaneously in the liquid state and in the gaseous state.
  • the device for regulating the fluidic charge makes it possible, by an energy supply in the reservoir, to expand the working fluid (liquid and vapor phase) present in the reservoir, which has the consequence of pressurizing the reservoir and injecting a fraction of the present fluid. in the tank in the fluid circuit. Conversely, a decrease in reservoir energy tends to increase the average density in the tank, reduce its pressure and suck up a fraction of the circulating fluid in the fluidic circuit.
  • the system according to the invention makes it possible not to use an external gas source to control the pressure in the tank. Only the working fluid is used thus limiting the risk of contamination of the working fluid.
  • the compactness of the system is improved by limiting the necessary components, the system does not need compressor or pressure bottle. The cost of implementation and maintenance is also reduced.
  • the reservoir is connected directly, continuously, by the tapping pipe to the fluid circuit.
  • the reservoir does not comprise a mechanical element, in particular arranged on the tapping pipe, controlling the injection or suction of the working fluid in the fluid circuit.
  • the system according to the invention thus has a low energy consumption and increased operational simplicity.
  • the system according to the invention comprises, as elements for supplying thermal energy, at least one heating rod. immersed in the reservoir, or a partial coupling with the first heat source, or an injection module, in the reservoir, working fluid taken at the outlet of the first exchanger.
  • the system according to the invention comprises, as energy-removal elements, a module for ejecting the fluid in the gaseous state, out of the tank, towards the inlet of the second exchanger or an injection module, in the reservoir, working fluid taken at the outlet of the pump, or a partial coupling with the second heat source.
  • the invention relates to a self-regulating module for the fluidic charge circulating in a fluid circuit of an electrical or mechanical energy production system operating according to a Rankine cycle.
  • the self-regulation module is configured to regulate the pressure of a tank stitched on the fluid circuit and receiving the working fluid.
  • the self-regulation module is preferably mechanically operated, intended to regulate the pressurization and the depressurization of the reservoir.
  • the self-regulation module makes it possible to automatically and preferably mechanically manage only the pressurization and depressurization of the reservoir, that is to say the injection or removal of working fluid in the fluid circuit.
  • the present invention thus makes it possible to control the subcooling and limit the risks of cavitation by a closed circuit system, that is to say not requiring external fluid and advantageously self-regulating by a purely mechanical operation simplifying the system and its operation.
  • the system is thus efficient and easily transposable into embedded systems.
  • the invention makes it possible to make the use of heat rejects at low temperature profitable, while requiring little energetic means.
  • the present invention provides a simplified system, inexpensive, low energy consumption, while having improved energy efficiency without overburdening the pump or increase the cost and complexity of the system.
  • the invention also makes it possible to minimize the load required by the confinement of the working fluid.
  • the working fluid can represent up to more than 20% of the total cost of a Rankine machine. The invention thus minimizes the capital and operating cost of such a system.
  • An advantage of the invention is to be able to control the fluid load and thus the subcooling, so that it is neither too small (risk of cavitation) nor too large (degradation of the overall performance of the cycle)
  • the upper end is at the top and the lower end is at the bottom.
  • the upstream and the downstream at a given point are taken with reference to the direction of circulation of the fluid in the circuit.
  • the outlet 42 of the pump 104 is in fluid communication with the inlet 11 of the first exchanger 101, advantageously by a first exchanger pipe 110.
  • the outlet 12 of the first exchanger 101 is in fluid communication with the inlet 31 of the expander 103, advantageously by an expander line 111.
  • the outlet 32 of the expander 103 is in fluid communication with the inlet 21 of the second exchanger 102, advantageously by a second exchanger line 112.
  • the outlet 22 of the second exchanger 102 is in fluid communication with the pump inlet 104, advantageously by a pump line 113.
  • the fluidic circuit is advantageously a closed circuit.
  • the system according to the invention comprises a reservoir 105 configured to receive and advantageously store the working fluid.
  • the reservoir 105 is arranged between the second heat exchanger 102 and the pump 104, more precisely between the outlet 22 of the second heat exchanger 102 and the pump inlet 104.
  • the reservoir 105 is connected to the fluid circuit via a piping pipe 114.
  • the tank 105 is said to be offline.
  • the reservoir 105 is connected directly via the tapping pipe 114 to the fluid circuit.
  • the reservoir 105 is said to be continuously connected to the fluid circuit.
  • the tapping pipe 114 does not include a pump or valve type organ.
  • the reservoir 105 advantageously receives the working fluid simultaneously in two states, liquid 3 and gas 4.
  • the reservoir is subjected to saturation conditions of the working fluid allowing the fluid to be simultaneously in the liquid state 3 and the gaseous state 4 in the reservoir 105.
  • the fluid in the liquid state 3 is located in the lower part of the reservoir 105 while the fluid in the gaseous state 4 is located in the upper part of the reservoir 105.
  • the arrangement of the reservoir 105 is configured so that the pressure of the reservoir Pr is uniform with the inlet pressure 41 of the pump 104.
  • the reservoir 105, and in particular the tapping pipe 114 is arranged in close proximity to and sufficient in the
  • the inlet pipe 104 is preferably of reduced length and horizontal. In the immediate vicinity, for example: at least one meter, preferably less than 0.5 meter, or even less than 0.2 meter; this proximity of the reservoir 105 and the inlet 41 of the pump 104 also allows a rapid restoration of the pressure at the inlet 41 of the pump 104 to limit the risk of cavitation.
  • the system comprises a device for regulating the fluidic charge circulating in the fluidic circuit.
  • This control device is configured to operate in a closed circuit with the fluid circuit. That is, the self-regulating device uses only the working fluid present in the fluid circuit and in the tank 105.
  • the regulating device is configured to maintain saturation conditions in the tank 105.
  • the control device is configured so that at the pump inlet 104 the working fluid temperature is equal to the fluid saturation temperature minus the sub-cooling temperature difference. Likewise, the inlet pressure of pump 104 is uniform with the pressure of reservoir 105.
  • the regulating device comprises elements of preferential thermal energy supply in the tank 105 intended to increase the pressure of the reservoir and inject the working fluid from the reservoir 105 to the fluid circuit.
  • the energy supply elements increase the enthalpy of the reservoir, the temperature of the fluid in the reservoir 105 as well as the pressure increases while the density decreases which induces the displacement of the working fluid from the reservoir 105 to the fluid circuit and more specifically the pump pipe 113.
  • the displacement is done passively, that is to say without mechanical action at the branch pipe 114.
  • the working fluid injected into the fluid circuit is at the liquid state.
  • the energy supply elements can be diverse as illustrated in FIGS. Figures 5 to 7 .
  • FIG. 5 they comprise one or two or more heating rods 5 dipping into the tank 105.
  • the heating rods 5 heat the working fluid thereby increasing its temperature.
  • a working fluid injection module in the tank 105, taken at the outlet 12 of the first exchanger 101.
  • the injection module comprises a working fluid injection pipe 116 fluidly connected to a first end at the exit 12 of the first interchange 101 and at a second end to the reservoir 105.
  • the working fluid withdrawn and injected into the reservoir 105 is in the high pressure compressed vapor state.
  • the module comprises an injector 6 and / or a valve, or any other injection control means for controlling the injection of working fluid.
  • a third embodiment illustrated in figure 7 they comprise at least partial coupling 7 of the first heat source 1 thus making it possible to increase the enthalpy of the fluid in the tank 105.
  • the regulating device comprises elements of preferentially thermal energy withdrawal from the tank 105 intended to reduce the pressure of the reservoir and draw the working fluid from the fluid circuit to the reservoir.
  • the energy removal elements reduce the enthalpy of the tank 105, the temperature of the fluid in the tank 105 and the pressure decreases while the density increases which induces the displacement of the working fluid of the fluidic circuit and more specifically the pipe pump 113 to the reservoir 105.
  • the withdrawal of the working fluid from the fluidic circuit is passively by suction without mechanical action at the tapping line 114.
  • the working fluid sucked from the fluid circuit is the liquid state.
  • the energy removal elements can be various as illustrated in FIGS. Figures 8 to 10 .
  • the rejection module comprises a working medium rejection conduit 115 fluidly connected to the a first end to the reservoir 105 and a second end to the inlet 21 of the second exchanger 102.
  • the fluid discharged from the reservoir and injected at the inlet 21 of the second exchanger 102 is in the gaseous state.
  • the module comprises an injector or ejector 9 and / or a pump and / or a valve, for controlling the rejection of the working fluid.
  • a working fluid injection module in the tank 105, taken at the outlet 42 of the pump 104.
  • the injection module comprises a working fluid injection pipe 117 fluidly connected to a first end at the outlet 41 of the pump 104 and at a second end to the reservoir 105.
  • the working fluid withdrawn and injected into the reservoir is in the relaxed state of liquid.
  • the module comprises an injector 8 and / or a valve, intended to control the injection of working fluid.
  • they comprise at least partial coupling 10 of the second heat source 2 thus making it possible to reduce the enthalpy of the fluid in the tank 105.
  • the temperature of the hot source 1 is less than 200 ° C and preferably less than 150 ° C and the temperature of the cold source 2 is less than 50 ° C and preferably of the order of 20 ° C.
  • the temperature of the cold source 2 is greater than the ambient temperature and more generally of the order of the ambient temperature.
  • the maximum temperature is that of the outlet 32 of the expander 103, that is to say a little less than 150 ° C.
  • the minimum temperature is that of the output 42 of the pump 104, that is to say a little higher than the ambient temperature.
  • the maximum temperature is that of the outlet of the turbine or other expander 103, that is to say intermediate, between the temperatures of the hot springs. (150 ° C) and cold (20 ° C).
  • the minimum temperature of the second exchanger 102 is that of the temperature of the cold source, that is to say, in general the ambient temperature.
  • the invention relates to a self-regulation module 200 illustrated in FIGS. Figures 11 to 13 intended to regulate the pressurization and depressurization of the tank 105 to control the fluidic charge in circulation in the fluidic circuit.
  • the self-regulating module 200 is advantageously mechanically operating allowing fully automatic and mechanical regulation.
  • the self-regulation module 200 illustrated in figure 13 comprises a compensated pressure reducer 201 coupled to a compensated valve 203.
  • the self-regulating module 200 is configured to prevent the valve 203 and the expander 201 from being in the open position simultaneously.
  • the expander 201 and the valve 203 are arranged in a housing 205.
  • the expander 201 is associated with a spring 202 having stiffness Kd while the valve 203 is associated with a spring 204 having a stiffness Ks.
  • the stiffness Kd of the spring 202 of the regulator 201 is smaller than the stiffness Ks of the valve spring 204 203.
  • the housing 205 is configured to handle the pressure differentials to regulate the fluidic load circulating in the fluidic circuit.
  • the casing 205 is fluidly connected to the elements whose pressure must be controlled.
  • the self-regulation module 200 is associated with the device for regulating the fluidic charge circulating in the fluidic circuit
  • the casing 205 is connected to the device for regulating the fluidic load and more specifically to the elements for energy supply and energy withdrawal.
  • the energy supply element comprises a working fluid injection module taken at the outlet 12 of the first exchanger 101 and the energy removal element comprises a rejection module working fluid in the gaseous state 4 out of the tank 105 to the inlet 21 of the second exchanger 102 or a working fluid injection module taken at the inlet 41 of the pump 104.
  • the housing 205 is fluidly connected to the tank 105, preferably it is connected directly by a pipe so as to be The pressure of the reservoir Pr is exerted on the pressure reducer 201 and the valve 203.
  • the housing 205 comprises a first opening 206 allowing the fluid connection of the reservoir 105 with the self-regulation module 200.
  • the housing 205 is fluidly connected to a means for producing a control pressure Pc preferably corresponding to the saturation pressure of the working fluid at the inlet 41 of the pump 104.
  • the control pressure Pc is exerted on the regulator 201 and the valve 203.
  • the housing 205 comprises a second opening 207 allowing the fluidic connection of the control pressure with the self-regulation module 200.
  • control pressure Pc and the pressure of the reservoir Pr are relatively opposed to each other with respect to the valve 203 and the expander 201. That is, the control pressure Pc and the reservoir pressure Pr exert opposing forces on the valve 203 and the expander 201.
  • the housing 205 is fluidly connected to the fluidic circuit, precisely at the outlet 12 of the first exchanger 101, preferably it is connected directly by a pipe 116. A first end of the pipe 116 is stitched on the outlet 12.
  • the housing 205 comprises a third opening 208 allowing the fluidic connection of the second end of the pipe 116 with the self-regulation module 200.
  • the housing 205 is fluidly connected to the fluid circuit, precisely at the inlet 41 of the pump 104, preferably it is connected directly by a pipe 117. A first end of the pipe 117 is stitched on the pump inlet 104. Case 205 includes a fourth opening 209 for fluidically connecting the second end of line 117 with self-regulating module 200.
  • the housing 205 is fluidly connected to the fluidic circuit, precisely at the inlet 21 of the second exchanger 102, preferably it is connected directly via a pipe 115. A first end of the pipe 115 is stitched on the inlet 21.
  • the housing 205 comprises a fourth opening 209 allowing the fluidic connection of the second end of the pipe 117 with the self-regulation module 200.
  • the figure 14 illustrates different cases of self-regulation of the fluidic charge circulating in the fluidic circuit.
  • the opening of the valve 203 means that the fourth opening 209 of the housing 205 is open leaving, according to the embodiment, either to enter, into the reservoir, the working fluid taken at the inlet 41 of the pump 104, or to leave the reservoir 105 the working fluid in the gaseous state towards the inlet 21 of the second exchanger 102.
  • This displacement of fluid causes a drop in the pressure (307) in the reservoir 105 generating a suction 120 of working fluid to the reservoir from the fluid circuit.
  • the reduction of the amount of working fluid in the fluid circuit makes it possible to reduce the pump inlet pressure and thus the subcooling, which limits the performance degradation of the Rankine machine.
  • the force exerted by the pressure of the reservoir Pr by the first opening 206 of the housing 205 on the expander 201 and the valve 203 is greater than the force of the control pressure Pc exerted by the second opening 207 of the housing 205 on the expander 201 and the valve 203.
  • the stiffness expansion and valve springs Kd and Ks compensate for this differential now closed valve 203 and expander 201 (305).
  • the tank pressure Pr is less than the sum of the control pressure Pc and the stiffness of the valve spring Ks and the sum of the control pressure Pc and the stiffness of the expansion spring Kd (303).
  • the force exerted by the pressure of the reservoir Pr by the first opening 206 of the housing 205 on the expander 201 and the valve 203 is greater than the force of the control pressure Pc exerted by the second opening 207 of the housing 205 on the expander 201 and the valve 203 .
  • the stiffness of the expansion spring and valve Kd and Ks do not compensate for this differential inducing the opening of the expander 201 (306) and now the valve 203 closed.
  • the opening of the expander 201 means that the third opening 208 of the housing 205 is open allowing the working fluid withdrawn from the outlet 12 of the first exchanger 101 to enter the reservoir.
  • This displacement of the fluid causes an increase in the pressure (309). in the reservoir Pr generating an injection 121 of working fluid to the fluid circuit from the tank 105.
  • the increase of the amount of working fluid in the fluid circuit makes it possible to increase the pump inlet pressure 104 and thus the subcooling, limiting the risk of cavitation.
  • the control pressure Pc is transmitted to the self-regulation module 200 at the second opening 207 by a control pressure production module.
  • the figure 12 indicates that the control pressure is transmitted by a production module of the gas source type whose pressure is regulated.
  • the module comprises means for measuring measurements of input variable variables 41 of pump 104 such as temperature and pressure and means for controlling the control pressure Pc according to these variables.
  • the self-regulating module 200 is configured to ensure that the separation between the second opening 207 and the rest of the module 200 is hermetic so as to ensure that there is no contamination of the working fluid. not the gas from the control pressure production module.
  • the figure 12 illustrates, moreover, a part of the fluidic circuit of the system according to the invention with the pump 104, the first heat exchanger 101, the second heat exchanger 102, the tank 105, the self-regulation module 200.
  • the outlet 22 of the second heat exchanger 102 and the outlet 12 of the first exchanger 101 are arranged in the direction of circulation of the working fluid, the tapping pipe 114 of the reservoir 105, the pump 104, the injection pipe 117 of the energy removal element, the first exchanger 101 and the injection pipe 116 of the energy supply element.
  • the figure 11 indicates that the control pressure is transmitted by a particular production module.
  • the production module comprises a balloon 210 filled with working fluid thus limiting the risk of contamination, fluidly connected to the second opening 207 of the self-regulation module 200.
  • the balloon 210 is maintained at saturation temperature of the fluid at the inlet 41 of the pump 104.
  • the balloon 210 is advantageously immersed in the working fluid circulating in the fluid circuit.
  • the balloon 210 is arranged at the outlet 22 of the second heat exchanger 102.
  • the control pressure Pc is equal to the pressure of the fluid in the balloon 201, itself equal to the saturation pressure of the fluid circulating in the the pump line 113, that is to say the saturation pressure at the inlet 41 of the pump 104.
  • the figure 11 illustrates, moreover, a part of the fluidic circuit of the system according to the invention with the pump 104, the first heat exchanger 101, the second heat exchanger 102, the tank 105, the self-regulation module 200.
  • the outlet 22 of the second heat exchanger 102 and the inlet 21 of the second exchanger 101 are arranged in the direction of circulation of the working fluid, the balloon 210 immersed in the pipe 113 of the pump, the tapping pipe 114 of the reservoir 105, the pump 104, the first exchanger 101, the injection line 116 of the energy supply element, the expander (not shown) and the rejection line 115 of the energy removal element.
  • the basic principle of the invention provides numerous advantages and in particular that of being able to better control the charge of the fluid and therefore the subcooling, so that it is neither too small (risk of cavitation) nor too large (degradation of the overall performance of the cycle).
  • a further advantage of the invention is also to reduce the risk of cavitation in the pump.
  • the inlet pressure in the pump is regulated in the case of the invention.
  • the cavitation margin for a given installation is expressed by the difference between the inlet pressure minus the saturation vapor pressure and a characteristic value of the pump (NPSH: net positive suction head).

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Abstract

Le système comprend un dispositif de régulation de la charge fluidique en circulation dans le circuit fluidique configuré pour fonctionner en circuit fermé avec le circuit fluidique et maintenir des conditions de saturation dans le réservoir (105) de sorte que le réservoir (105) contienne le fluide de travail simultanément à l'état liquide (3) et à l'état gazeux (4), le dispositif de régulation comprenant des éléments d'apport d'énergie thermique dans le réservoir (105) destinés à augmenter la pression du réservoir et induire l'injection du fluide de travail du réservoir dans le circuit fluidique et des éléments de retrait d'énergie du réservoir (105) destinés à diminuer la pression du réservoir et induire l'aspiration vers le réservoir (105) du fluide de travail hors du circuit fluidique.

Description

    DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
  • La présente invention concerne les systèmes de production d'énergie électrique ou mécanique.
  • Elle trouve pour application avantageuse les systèmes de production d'énergie de petite puissance, faisant appel à un cycle thermodynamique de Rankine. Elle s'appliquera par exemple à la production d'énergie à partir des rejets thermiques à basse température produits par des usines notamment dans l'industrie de la transformation (métallurgie, chimie, papeterie), par des moteurs thermiques de véhicules ou à partir de la chaleur issue de systèmes récupérant de l'énergie solaire ou issue de la biomasse.
  • La présente invention trouvera une application particulièrement pour le management thermique de systèmes embarqués, de petite puissance ou présentant de fortes variations de puissance dans le temps.
    • ÉTAT DE LA TECHNIQUE
  • Il existe de nombreuses solutions pour produire de l'électricité ou une énergie mécanique à partir d'une source de chaleur.
  • Parmi les solutions connues figurent les machines génératrices basées sur un cycle de Rankine. Les cycles de Rankine reposent tous sur des transformations comprenant successivement: le pompage d'un fluide de travail sous forme liquide, la création de vapeur et sa surchauffe éventuelle, la détente de la vapeur pour générer un mouvement et la condensation de la vapeur. Le fluide de travail peut être choisi parmi l'eau, le dioxyde de carbone, l'ammoniaque ou un fluide organique ou un mélange de ces composants. Dans le dernier cas, on parle de cycle organique de Rankine. La majorité des systèmes de production électrique thermique sont basés sur l'utilisation de tels cycles.
  • Une machine reposant sur un cycle de Rankine est, de manière connue, constituée de quatre organes principaux, à savoir :
    • une pompe permettant la mise en circulation du fluide et la remontée de sa pression ;
    • un échangeur chaud exploitant la source de chaleur disponible à valoriser ;
    • un expanseur ou organe de détente transformant la variation d'enthalpie du fluide en énergie mécanique, puis en énergie électrique en présence d'une génératrice également désignée alternateur ;
    • un échangeur froid permettant la condensation de la vapeur restante après détente.
  • C'est sur ce type de cycle thermodynamique que se base la majorité des centrales nucléaires, des centrales thermiques à charbon, ou encore des centrales thermiques à fuel lourd, afin de produire des puissances élevées. Pour ces applications, les sources chaudes présentent une puissance et une température très élevées.
  • Les industries de transformation, par exemple la métallurgie, la chimie ou encore la papeterie, génèrent des rejets thermiques à basse température, c'est-à-dire des rejets thermiques dont la température est le plus souvent inférieure à 200°C, voire inférieure à 150°C. Les systèmes basés sur un cycle de Rankine permettraient théoriquement de produire de l'énergie électrique ou mécanique à partir de ces rejets thermiques. Cependant, les puissances qui pourraient être produites seraient alors relativement faibles, typiquement de l'ordre de quelques kilowatts à une centaine de kilowatts pour des rejets thermiques inférieurs au mégawatt, à cause du rendement thermodynamique faible.
  • À ces niveaux de températures et de puissances, il n'existe à ce jour aucune solution de valorisation réellement satisfaisante, en raison des investissements nécessaires et des rendements de conversion qui ne sont pas considérés comme suffisants.
  • Ces rejets thermiques à basse température sont alors en pratique peu exploités et valorisés. Il en est de même pour la chaleur produite par les moteurs thermiques de véhicules terrestres ou nautiques.
  • Afin de maximiser la puissance nette et le rendement d'une machine de Rankine, il est utile d'abaisser au maximum la pression de condensation. Cependant pour assurer le bon fonctionnement de l'organe de pompage, le fluide doit entrer dans la pompe dans un état de liquide sous-refroidi.
  • Le sous-refroidissement qui correspond à l'écart entre la température en entrée pompe et la température de saturation du fluide est appelé sous-refroidissement. Un trop grand sous-refroidissement indique qu'il y a trop de liquide dans le condenseur, ce qui conduit à une dégradation de la performance de la machine de Rankine par augmentation de la pression de condensation. À l'inverse, un sous-refroidissement insuffisant entraine un risque de cavitation en entrée de pompe et donc une dégradation des performances de la machine de Rankine ainsi qu'une usure accélérée de la pompe..
  • La cavitation apparait quand le liquide pompé se vaporise à basse pression. Cela se produit à cause d'une pression insuffisante à l'entrée de la pompe par rapport à la pression de saturation du fluide, en d'autres termes, quand il y a un NPSHa (Net positif Suction Head available), ou marge de cavitation, insuffisant. Quand la cavitation apparait, des bulles de vapeur sont créées à basse pression. Pendant que le liquide s'écoule de l'aspiration de la pompe à sa sortie, les bulles implosent, ce qui crée des ondes de choc qui attaquent la pompe et provoquent des vibrations dans la pompe, une baisse des performances de celle-ci et des dégâts mécaniques pouvant conduire à l'usure prématurée voire la destruction complète de la pompe à différents niveaux
  • Or, la température en entrée de pompe est déterminée et limitée par la source froide et les échanges thermiques au condenseur. La marge à la cavitation ou le sous-refroidissement sont donc directement liés à la pression de condensation.
  • Une solution est de réguler le sous-refroidissement en entrée de pompe ainsi que la pression de condensation par la gestion de la charge de fluide en circulation dans l'installation. Dans le document EP 2 933 444 A1 , le circuit fermé fonctionnant selon un cycle de Rankine comprend un réservoir fermé contenant le fluide à l'état liquide piqué sur la conduite de pompe reliant le condenseur à la pompe. Le réservoir est relié à un dispositif de régulation de pression permettant la pressurisation du réservoir par un détendeur régulateur injectant un gaz type air ou azote et une dépressurisation du réservoir par une soupape pour évacuer une partie du fluide gazeux hors du réservoir. Le dispositif de régulation fait donc appel à un gaz extérieur et à une unité de commande recevant les informations de divers capteurs pour contrôler le détendeur et la soupape.
  • De cette manière, à chaque instant, le fluide en entrée de pompe dispose d'un niveau de sous-refroidissement suffisant avec l'absence de fluide en phase vapeur limitant ainsi les risques de cavitation.
  • Ce type de dispositif nécessite encore des améliorations pour permettre notamment l'implantation dans des systèmes embarqués.
  • Il existe donc le besoin de pousser la simplification des dispositifs de production d'énergie électrique ou mécanique pour faciliter leur utilisation dans diverses applications.
    • RÉSUMÉ DE L'INVENTION
  • Pour atteindre cet objectif, un aspect de la présente invention concerne un système de production d'énergie électrique ou mécanique comprenant un circuit fluidique configuré pour recevoir un fluide de travail circulant et comprenant une pluralité d'organes destinés à être traversés par le fluide de travail et parmi lesquels :
    • au moins un premier échangeur de chaleur configuré pour être couplé thermiquement à au moins une première source de chaleur, également dénommé évaporateur,
    • un expanseur dont une entrée est fluidiquement raccordée à une sortie du premier échangeur,
    • un deuxième échangeur de chaleur configuré pour être couplé thermiquement à une deuxième source de chaleur plus froide que la première source de chaleur, également dénommé condenseur,
    • au moins une pompe configurée pour mettre en mouvement le fluide de travail dans le circuit fluidique,
    • au moins un réservoir, recevant avantageusement le fluide de travail, et agencé entre le deuxième échangeur et la pompe sur une conduite de piquage.
  • Le circuit fluidique du système étant configuré de manière à ce que le fluide de travail passe successivement par au moins la pompe, le premier échangeur, l'expanseur et le deuxième échangeur, puis à nouveau la pompe. Le système comprend de manière caractéristique un dispositif de régulation de la charge fluidique en circulation dans le circuit fluidique comprenant des éléments d'apport d'énergie avantageusement thermique dans le réservoir, destinés avantageusement à augmenter la pression du réservoir et injecter du fluide de travail du réservoir dans le circuit fluidique, et des éléments de retrait d'énergie du réservoir, destinés avantageusement à diminuer la pression du réservoir et aspirer du fluide de travail hors du circuit fluidique vers le réservoir. Le dispositif de régulation est avantageusement configuré pour fonctionner en circuit fermé avec le circuit fluidique et avantageusement pour maintenir des conditions de saturation dans le réservoir de sorte que le réservoir contienne le fluide de travail simultanément à l'état liquide et à l'état gazeux.
  • Le dispositif de régulation de la charge fluidique permet par un apport d'énergie dans le réservoir de dilater le fluide de travail (phase liquide et vapeur) présent dans le réservoir ce qui a pour conséquence de pressuriser ce dernier et injecter une fraction du fluide présent dans le réservoir dans le circuit fluidique. À l'inverse, une diminution de l'énergie du réservoir tend à augmenter la densité moyenne dans le réservoir, diminuer sa pression et aspirer une fraction du fluide en circulation dans le circuit fluidique.
  • Le système selon l'invention permet de ne pas avoir recours à une source de gaz externe pour contrôler la pression dans le réservoir. Seul le fluide de travail est utilisé limitant ainsi les risques de contamination du fluide de travail. La compacité du système est améliorée en limitant les composants nécessaires, le système n'a pas besoin de compresseur ou de bouteille sous pression. Le coût d'implantation et de maintenance est également diminué.
  • Avantageusement, le réservoir est raccordé directement, en continu, par la conduite de piquage sur le circuit fluidique. Préférentiellement, le réservoir ne comprend pas d'élément mécanique, notamment agencé sur la conduite de piquage, contrôlant l'injection ou l'aspiration du fluide de travail dans le circuit fluidique.
  • Le système selon l'invention présente ainsi une faible consommation énergétique et une simplicité de fonctionnement augmentée.
  • Avantageusement, le système selon l'invention comprend comme éléments d'apport d'énergie thermique au moins une canne chauffante plongeant dans le réservoir, ou un couplage partiel avec la première source de chaleur, ou un module d'injection, dans le réservoir, de fluide de travail prélevé à la sortie du premier échangeur.
  • Avantageusement, le système selon l'invention comprend comme éléments de retrait d'énergie un module d'éjection du fluide à l'état gazeux, hors du réservoir, en direction de l'entrée du deuxième échangeur ou un module d'injection, dans le réservoir, de fluide de travail prélevé à la sortie de la pompe, ou un couplage partiel avec la deuxième source de chaleur.
  • Suivant une variante indépendante, l'invention concerne un module d'autorégulation de la charge fluidique en circulation dans un circuit fluidique d'un système de production d'énergie électrique ou mécanique fonctionnant suivant un cycle de Rankine. Le module d'autorégulation est configuré pour réguler la pression d'un réservoir piqué sur le circuit fluidique et recevant le fluide de travail. Le module d'autorégulation est préférentiellement à fonctionnement mécanique, destiné à réguler la pressurisation et la dépressurisation du réservoir. Le module d'autorégulation permet de gérer automatiquement et préférentiellement de manière mécanique uniquement, la pressurisation et la dépressurisation du réservoir c'est-à-dire l'injection ou le retrait de fluide de travail dans le circuit fluidique.
  • La présente invention permet donc un contrôle du sous-refroidissement et limite les risques de cavitation par un système en circuit fermé, c'est-à-dire ne nécessitant pas de fluide extérieur et avantageusement autorégulé par un fonctionnement uniquement mécanique simplifiant le système et son fonctionnement.
  • Le système est ainsi efficace et facilement transposable dans des systèmes embarqués.
  • Un autre aspect de la présente invention concerne le procédé de régulation de la charge fluidique en circulation dans le circuit fluidique d'un système de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant les étapes suivantes :
    • une étape de montée en pression du fluide de travail au travers de la pompe,
    • une étape de chauffage du fluide de travail au travers du premier échangeur de chaleur,
    • une étape de détente du fluide de travail issu du premier échangeur au travers de l'expanseur,
    • une étape de refroidissement du fluide de travail au travers du deuxième échangeur de chaleur,
    caractérisé en ce qu'il comprend une étape de maintien de conditions saturantes dans le réservoir pour maintenir le fluide de travail simultanément sous deux états gazeux et liquide dans le réservoir par une étape d'apport d'énergie thermique dans le réservoir comprenant l'augmentation de la pression dans le réservoir et l'ajout de fluide de travail dans le circuit fluidique par injection depuis le réservoir, ou alternativement une étape de retrait d'énergie hors du réservoir comprenant la diminution de la pression dans le réservoir et le retrait de fluide de travail du circuit fluidique par aspiration vers le réservoir.
  • De manière particulièrement avantageuse, l'invention permet de rentabiliser l'utilisation de rejets thermiques à basse température, tout en nécessitant peu de moyens énergétiques. En outre, la présente invention propose un système simplifié, peu coûteux, de faible consommation énergétique, tout en présentant un rendement énergétique amélioré sans toutefois surcharger la pompe ni augmenter le coût et la complexité du système.
    • BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES
  • Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description détaillée d'un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d'accompagnement suivants dans lesquels :
    • La FIGURE 1 illustre un système selon l'invention fonctionnant suivant un cycle de Rankine.
    • Les FIGURES 2 à 4 sont des schémas illustrant le réservoir dans un système selon l'invention. La FIGURE 2 correspond à une situation à l'équilibre, la FIGURE 3 correspond à l'injection de fluide de travail dans le circuit fluidique,
    • La FIGURE 4 correspond à l'aspiration de fluide de travail du circuit fluidique vers le réservoir.
    • Les FIGURES 5 à 10 illustrent différents modes de réalisations du dispositif de régulation de la charge fluidique en circulation dans le circuit fluidique. Les FIGURES 5 à 7 correspondent à des modes de réalisation d'éléments d'apport d'énergie thermique dans le réservoir tandis que les FIGURES 8 à 10 correspondent à des modes de réalisation d'éléments de retrait d'énergie du réservoir.
    • Les FIGURES 11 et 12 illustrent une partie du système selon un mode de réalisation intégrant un module d'autorégulation. La FIGURE 11 correspond à un premier mode de réalisation, la FIGURE 12 correspond à un deuxième mode de réalisation.
    • La FIGURE 13 est une vue en coupe d'un boitier du module d'autorégulation comprenant une soupape et un détendeur.
    • La FIGURE 14 représente les différents cas d'autorégulation de la charge fluidique en circulation dans le circuit fluidique.
  • Les dessins sont donnés à titre d'exemple et ne sont pas limitatifs de l'invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l'invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques.
    • DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION
  • Avant d'entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l'invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement :
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, le réservoir 105 est directement raccordé fluidiquement à la conduite de piquage 114 qui est elle-même directement fluidiquement raccordée au circuit fluidique entre le deuxième échangeur 102 et la pompe 104.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, le système ne comprend pas d'élément de régulation entre le réservoir 105 et le circuit fluidique.
      Ces dispositions présentent l'avantage d'avoir un circuit simplifié et une réactivité de régulation améliorée.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, le fluide de travail est un fluide organique.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, le fluide de travail est un fluide inorganique.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, le dispositif de régulation ne comprend pas de fluide autre que le fluide de travail. Le dispositif de régulation ne fait appel qu'au fluide de travail présent dans le circuit fluidique et dans le réservoir 105.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, les éléments d'apport d'énergie thermique comprennent au moins une canne chauffante 5 plongeant dans le réservoir 105.
      La présence de canne de chauffage 5 est une solution qui, malgré une forte consommation d'énergie, permet une bonne régulation et un faible coût d'installation.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, les éléments d'apport d'énergie thermique comprennent un module d'injection, dans le réservoir 105, de fluide de travail prélevé à la sortie 11 du premier échangeur 101.
      Le fluide de travail prélevé à la sortie 11 du premier échangeur 101, qui est avantageusement un évaporateur, est à haute température et haute pression. Son injection dans le réservoir 105 augmente la pression du réservoir Pr et pousse le fluide de travail stocké dans le réservoir 105 vers le circuit fluidique. Cette solution a l'avantage d'une grande simplicité sans risque de contamination par un autre fluide et une faible consommation énergétique.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, les éléments d'apport d'énergie thermique comprennent un couplage, au moins partiel, du réservoir 105 avec la première source de chaleur 1.
      La première source de chaleur 1 permet de réchauffer le fluide de travail contenu dans le réservoir 105 augmentant ainsi la pression du réservoir Pr et pousse le fluide de travail stocké dans le réservoir 105 vers le circuit fluidique.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, les éléments de retrait d'énergie comprennent un module d'éjection, hors du réservoir 105, du fluide de travail à l'état gazeux 4 en direction de l'entrée 21 du deuxième échangeur 102.
      Le fluide de travail à l'état gazeux 4 est éjecté dans le circuit fluidique au niveau de l'entrée 21 du deuxième échangeur 102, qui est avantageusement un condenseur. L'évacuation du fluide à l'état gazeux 4 du réservoir 105 diminue la pression du réservoir Pr et aspire le fluide de travail du circuit fluidique vers le réservoir 105.
      Avantageusement, le deuxième échangeur 102 est agencé à une hauteur supérieure du réservoir 105 de sorte que le déplacement de fluide gazeux ne se fasse qu'en direction du deuxième échangeur 102 par différence de pression hydrostatique. Cette solution présente un fort potentiel de refroidissement.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, les éléments de retrait d'énergie comprennent un module d'injection, dans le réservoir 105, de fluide de travail prélevé à la sortie 42 de la pompe 104.
      Le fluide de travail prélevé à la sortie 42 de la pompe 104, c'est-à-dire après la sortie 22 du deuxième échangeur 102, qui est avantageusement un condenseur, est à basse température et basse pression. Son injection dans le réservoir 105 diminue la pression du réservoir et aspire le fluide de travail du circuit fluidique vers le réservoir 105.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, les éléments de retrait d'énergie comprennent un couplage au moins partiel du réservoir 105 avec la deuxième source de chaleur 2.
      La deuxième source de chaleur 2 permet de refroidir le fluide de travail contenu dans le réservoir 105 diminuant ainsi la pression du réservoir Pr et aspirant le fluide de travail du circuit fluidique vers le réservoir 105.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, les éléments d'apport d'énergie thermique comprennent un module d'injection, dans le réservoir 105, de fluide de travail prélevé à la sortie 12 du premier échangeur 101 et les éléments de retrait d'énergie comprennent un module d'éjection du fluide à l'état gazeux 4, hors du réservoir 105, en direction de l'entrée du deuxième échangeur 21 ou un module d'injection, dans le réservoir 105, de fluide de travail prélevé à la sortie de la pompe 104.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, le système comprend un module d'autorégulation 200 à fonctionnement mécanique destiné à réguler la pressurisation et la dépressurisation du réservoir 105.
      Le système régule automatiquement la pression dans le réservoir 105 de sorte à réguler la charge fluidique du circuit. Ces régulations se font de manière mécanique, c'est-à-dire que le module d'autorégulation 200 ne comprend que des éléments mécaniques.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, le module d'autorégulation 200 comprend un détendeur 201 compensé couplé à une soupape 203 compensée.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, le module d'autorégulation 200 comprend un boitier 205 recevant un détendeur 201 associé à un ressort de détendeur 202 et une soupape 203 associée à un ressort de soupape 204.
      Ce module d'autorégulation 200 est un élément avantageusement unitaire, monobloc, avec une compacité permettant son intégration dans de nombreuses installations et notamment dans les systèmes embarqués.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, le boitier 205 comprend une première ouverture 206 en liaison fluidique avec le réservoir 105 de sorte à être soumise à la pression du réservoir Pr.
      La première ouverture 206 est en communication fluidique avec le réservoir 105, avantageusement raccordée directement c'est-à-dire sans élément autre qu'une conduite.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, le boitier 205 comprend une deuxième ouverture 207 en liaison fluidique avec un module de production de pression de contrôle de sorte à être soumise à une pression contrôlée Pc.
      La deuxième ouverture 207 est en communication fluidique avec un module gérant une pression contrôlée, avantageusement raccordée directement c'est-à-dire sans élément autre qu'une conduite.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, le boitier 205 comprend une troisième ouverture 208 d'injection de fluide de travail, dans le réservoir 105, en provenance de la sortie 12 du premier échangeur 101.
      La troisième ouverture 208 est en communication fluidique avec la sortie 12 du premier échangeur 101, avantageusement raccordée directement c'est-à-dire sans élément autre qu'une conduite.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, le boitier 205 comprend une quatrième ouverture 209 d'injection, dans le réservoir 105, de fluide de travail en provenance de la sortie 42 de la pompe 104 ou d'éjection de fluide de travail à l'état gazeux 4, hors du réservoir 105, vers l'entrée 21 du deuxième échangeur 102.
      La quatrième ouverture 208 est en communication fluidique avec la sortie 42 de la pompe 104 ou l'entrée 21 du deuxième échangeur 102, avantageusement directe c'est-à-dire sans élément autre qu'une conduite.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, la pression de contrôle Pc est égale à la pression de saturation du fluide en entrée 41 de pompe 104, avantageusement pendant l'opération, le fonctionnement, du système.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, le ressort de soupape 204 présente une raideur Ks supérieure à celle Kd du ressort de détendeur 202.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, le module d'autorégulation 200 est configuré pour être à l'équilibre, avec le détendeur 201 fermé et la soupape 203 fermée, lorsque la pression du réservoir Pr est à la fois supérieure à la somme de la pression de contrôle Pc et de la raideur Kd du ressort du détendeur 202 et inférieure à la somme de la pression de contrôle Pc et de la raideur Ks du ressort de la soupape 204. De cette manière, la cavitation en entrée de pompe est quasi nulle et le sous-refroidissement non excessif.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, le module d'autorégulation 200 est configuré pour que l'ouverture de la soupape 203 mette en connexion fluidique le réservoir 105 et l'entrée 21 du deuxième échangeur 102 ou la sortie 42 de la pompe 104 par la quatrième ouverture 209.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, le module d'autorégulation 200 est configuré pour que l'ouverture du détendeur 201 mette en connexion fluidique le réservoir 105 et la sortie 12 du premier échangeur 101 par la troisième ouverture 208.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, le module de production de pression de contrôle comprend un ballon 210 rempli de fluide de travail connecté fluidiquement à la deuxième ouverture 207 du boitier 205, le ballon 210 étant agencé pour plonger dans le fluide de travail du circuit fluidique en sortie 22 du deuxième échangeur 102 de sorte que la température du fluide contenu dans le ballon 210 soit identique à celle du fluide de travail du circuit fluidique en entrée 41 de pompe 104. De cette manière, la pression du fluide contenu dans le ballon 210, à saturation, est identique à la pression de saturation du fluide de travail du circuit fluidique en entrée 41 de pompe 104.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, le module de production de pression de contrôle comprend une source de gaz à pression régulée en connexion fluidique avec la deuxième ouverture 207 du boitier 205, des capteurs de pression et/ou de température entrée 41 de pompe 104 et des moyens de régulations de la pression de la source de gaz de sorte à définir une pression de contrôle Pc.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, le procédé comprend une étape d'autorégulation destinée à réguler la pressurisation et la dépressurisation du réservoir 105 de sorte qu'à l'équilibre le détendeur 201 et la soupape 203 soient fermés lorsque la pression du réservoir Pr est à la fois supérieure à la somme de la pression de contrôle Pc et de la raideur Kd du ressort du détendeur 202 et inférieure à la somme de la pression de contrôle Pc et de la raideur Ks du ressort de la soupape 204.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, le procédé est tel qu'il comprend lorsque la pression du réservoir Pr est supérieure à la somme de la pression de contrôle Pc et de la raideur Ks du ressort de la soupape 204, l'ouverture de la soupape 203 mettant en connexion fluidique le réservoir 105 et l'entrée 21 du deuxième échangeur 102 ou la sortie 42 de la pompe 104 par la quatrième ouverture 209 de sorte à diminuer la pression du réservoir Pr et retirer par aspiration vers le réservoir 105, du fluide de travail du circuit fluidique.
    • ∘ Suivant un mode de réalisation, le procédé est tel qu'il comprend lorsque la pression du réservoir Pr est inférieure à la pression de contrôle Pc additionnée à la raideur Kd du ressort du détendeur 202, l'ouverture du détendeur mettant en connexion fluidique le réservoir 105 et la sortie 12 du premier échangeur 101 par la troisième ouverture 208 de sorte à augmenter la pression du réservoir Pr, et ajouter par injection depuis le réservoir 105 du fluide de travail dans le circuit fluidique.
    • ∘ La sortie 42 de pompe 104 est directement raccordée à l'entrée 11 du premier échangeur 101.
    • ∘ La sortie 12 du premier échangeur 101 est directement raccordée à l'entrée 31 de l'expanseur 103.
    • ∘ La sortie 32 de l'expanseur 103 est directement raccordée à entrée 21 du deuxième échangeur 102.
    • ∘ La sortie 22 du deuxième échangeur 102 est directement raccordée à la pompe 104.
    • ∘ Le réservoir 105 est directement raccordé au circuit fluidique entre la sortie 22 du deuxième échangeur 102 et l'entrée 41 de pompe 104.
    • ∘ Le circuit fluidique est hermétique, préférentiellement le système est hermétique. Ceci permet avantageusement de limiter les risques pour l'environnement et pour l'homme lorsqu'ils sont toxiques.
  • L'invention permet également de minimiser la charge nécessaire par le confinement du fluide de travail. Or, le fluide de travail peut représenter jusqu'à plus de 20% du coût total d'une machine de Rankine. L'invention minimise ainsi le coût en capital et en fonctionnement d'un tel système.
  • Un intérêt de l'invention est de pouvoir contrôler la charge du fluide et donc le sous-refroidissement, afin que celui-ci ne soit ni trop petit (risque de cavitation) ni trop grand (dégradation des performances globales du cycle)
  • L'invention propose ainsi une solution efficace pour valoriser les rejets thermiques présentant des températures relativement basses.
    • Selon un mode de réalisation avantageux, mais non limitatif, le fluide de travail est un fluide organique. Ce type de fluide permet d'atteindre un régime supercritique, régime pour autant non limitatif de l'invention, même à des températures relativement basses en sortie d'échangeur chaud. On entend par fluide organique, un fluide composé de molécules ou d'un mélange de molécules constituées d'atomes de carbone, d'hydrogène et éventuellement d'autres atomes tels que par exemple l'oxygène, le fluor, l'azote, le chlore, le brome.
    • Dans un autre mode de réalisation, le fluide de travail n'est pas un fluide organique.
    • Selon un mode de réalisation, le premier échangeur est configuré pour amener à sa sortie le fluide de travail à une température inférieure à 200°C et de préférence inférieure à 150°C.
    • Selon un mode de réalisation, le circuit est configuré de manière à ce que la température du fluide de travail en sortie 12 du premier échangeur 101 soit comprise entre la température ambiante et 200°C et de préférence entre la température ambiante et 150°C.
    • Selon un mode de réalisation, le système comprend la source chaude 1. La source chaude 1 et le premier échangeur 101 sont configurés pour fournir à la sortie du premier échangeur une température pour le fluide de travail inférieure à 200°C et de préférence inférieure à 150°C. Selon un mode de réalisation, le fluide de travail est frigorigène et choisi parmi le R410a, le R134a, le R227ea, ou le R245fa. Ces fluides permettent d'atteindre un régime supercritique avec des sources chaudes aux températures inférieures à 200°C.Ils sont donc particulièrement avantageux pour produire de l'énergie à partir de rejets thermiques d'usines ou de moteurs thermiques.
    • Selon un mode de réalisation, le deuxième échangeur 102 est configuré pour amener à sa sortie 22 le fluide de travail à une température comprise entre la température ambiante et 150°C, la température du fluide de travail en sortie 22 du deuxième échangeur 102 étant inférieure à la température du fluide de travail en sortie 12 du premier échangeur 101.
    • Selon un mode de réalisation, le système comprend la première source de chaleur 1, la première source de chaleur 1 étant couplée thermiquement avec un circuit de rejet thermique d'une usine ou d'un moteur.
    • Selon un mode de réalisation, le premier échangeur 101 de chaleur est configuré de sorte à chauffer le fluide de travail ; l'expanseur 103 est configuré de sorte à diminuer la pression du fluide de travail et le deuxième échangeur 102 de chaleur est configuré de sorte à refroidir le fluide de travail. La pompe 104 est configurée de sorte à augmenter la pression du fluide de travail.
    • Selon un mode de réalisation, le système comprend un dispositif de conversion d'énergie configuré pour convertir un mouvement mécanique produit par l'expanseur 103 en une énergie électrique ou mécanique et configuré de manière à ce que la puissance fournie par le dispositif de conversion d'énergie soit inférieure à 100 kW.
    • Selon un mode de réalisation, l'expanseur 103 est une turbine, de préférence cinétique.
    • Selon un mode de réalisation, l'expanseur 103 est une machine volumétrique.
    • Selon un mode de réalisation, l'expanseur 103 est une machine volumétrique, du type suivant : un compresseur volumétrique fonctionnant en expanseur.
    • Selon un mode de réalisation, l'expanseur 103 est une machine hermétique ; ladite machine comprenant l'expanseur, un arbre et l'alternateur; l'expanseur étant raccordé à l'arbre et l'arbre étant raccordé à l'alternateur.
  • Pour la suite de la description, on entend par 'haut' et 'bas', ou leurs dérivés, une qualité de positionnement relatif d'un élément du système selon l'invention lorsque celui-ci est installé de façon fonctionnelle, le 'haut' étant orienté à l'opposé du sol et le 'bas étant orienté vers le sol. L'extrémité supérieure se situe en haut et l'extrémité inférieure se situe en bas.
  • L'amont et l'aval en un point donné sont pris en référence au sens de circulation du fluide dans le circuit.
  • Dans la présente description, l'expression « A fluidiquement raccordée à B» ne signifie pas nécessairement qu'il n'existe pas d'organe entre A et B.
  • La figure 1 illustre un exemple de système selon la présente invention. Ce système est particulièrement avantageux pour une production électrique de petite puissance (par exemple de quelques kilowatts à une centaine de kilowatts). Il est configuré de manière à mettre en oeuvre un cycle thermodynamique de Rankine. Il comprend des composants couramment utilisés :
    • Un fluide de travail. Ce fluide de travail est avantageusement frigorigène. Le fluide de travail est de préférence organique ce qui permet éventuellement d'atteindre un régime supercritique (également désigné supercritique) tout en conservant des niveaux de pression et de température relativement limités. Le fluide de travail est de préférence choisi parmi le R410a, le R134a, le R227a, le R245fa. On entend par fluide supercritique, un fluide ayant atteint un régime supercritique.
    • Un premier échangeur. 101 Ce premier échangeur 101 est thermiquement couplé à une première source de chaleur 1, dénommée source chaude, par exemple chauffée par les rejets thermiques. De préférence, il permet au fluide d'atteindre un régime supercritique. Le premier échangeur peut ainsi être qualifié d'évaporateur en cas de fonctionnement en régime sous-critique. Le fluide de travail entre par l'entrée 11 dans le premier échangeur 101 à l'état liquide comprimé et ressort à la sortie 12 du premier échangeur 101 à l'état de vapeur comprimée. La température critique du fluide de travail est, par exemple de l'ordre de 70°C, pour un fluide de travail de type gaz réfrigérant R410a. Le R410a est l'un des fluides frigorigènes les plus fréquemment utilisés pour faire fonctionner une pompe à chaleur. Le R410a présente l'avantage de ne pas être nocif pour la couche d'ozone, tout en présentant un bon rendement énergétique. Il a notamment une capacité de compression et une puissance frigorifique plus élevées que beaucoup d'autres fluides frigorigènes. Il augmente donc non seulement les possibilités de chauffage (même à basse température), mais également de refroidissement. La température critique est, par exemple, de l'ordre de : 101°C pour le fluide R134a, 103°C pour le fluide R227a et 154°C pour le fluide R245fa.
    • Un expanseur 103 tel que par exemple un compresseur volumétrique. Cet expanseur 103 permet de détendre le fluide et de produire une énergie mécanique à partir de cette détente. Le fluide entre par une entrée 31 de l'expanseur 103 sous forme de vapeur comprimée haute pression et ressort à la sortie 32 de l'expanseur 103 sous forme de vapeur détendue basse pression. Dans un mode de réalisation, cette énergie est récupérée sur un arbre tournant. Cette énergie mécanique peut ensuite être récupérée sous forme électrique au niveau d'un l'alternateur situé sur ledit arbre tournant. L'expanseur 103 est avantageusement dérivé d'un compresseur volumétrique conventionnel de l'industrie frigorifique.
    • un deuxième échangeur de chaleur 102 thermiquement couplé à une deuxième source de chaleur 2, plus froide que la première source de chaleur 1 et permettant de refroidir le fluide de travail. Lors de ce refroidissement, la température de saturation est atteinte. Le refroidissement s'accompagne dès lors du phénomène de condensation. Le fluide pénètre dans le deuxième échangeur 102 par l'entrée 21 à l'état de vapeur détendue basse pression et ressort à la sortie 22 à l'état liquide.
    • une pompe. De préférence, elle permet au fluide de travail d'être comprimé. Le fluide de travail pénètre au niveau de l'entrée 41 de pompe 104 à l'état liquide et ressort à la sortie 42 à l'état liquide comprimée haute pression.
  • La sortie 42 de la pompe 104 est en communication fluidique avec le l'entrée 11 du premier échangeur 101, avantageusement par une conduite de premier échangeur 110. La sortie 12 du premier échangeur 101 est en communication fluidique avec l'entrée 31 de l'expanseur 103, avantageusement par une conduite d'expanseur 111. La sortie 32 de l'expanseur 103 est en communication fluidique avec l'entrée 21 du deuxième échangeur 102, avantageusement par une conduite de deuxième échangeur 112. La sortie 22 du deuxième échangeur 102 est en communication fluidique avec l'entrée 41 de pompe 104, avantageusement par une conduite de pompe 113.
  • Le circuit fluidique est avantageusement un circuit fermé.
  • De manière caractéristique, le système selon l'invention comprend un réservoir 105 configuré pour recevoir et avantageusement stocker le fluide de travail. Le réservoir 105 est agencé entre le deuxième échangeur 102 et la pompe 104, plus précisément entre la sortie 22 du deuxième échangeur 102 et l'entrée 41 de pompe 104. Le réservoir 105 est connecté au circuit fluidique par une conduite de piquage 114. Le réservoir 105 est dit hors-ligne.
  • Le réservoir 105 est raccordé directement par la conduite de piquage 114 au circuit fluidique. Le réservoir 105 est dit connecté en continu au circuit fluidique. La conduite de piquage 114 ne comprend pas d'organe type pompe ou vanne.
  • Le réservoir 105 reçoit avantageusement le fluide de travail simultanément sous deux états, liquide 3 et gazeux 4. Le réservoir est soumis à des conditions de saturation du fluide de travail permettant au fluide d'être simultanément à l'état liquide 3 et à l'état gazeux 4 dans le réservoir 105. Le fluide à l'état liquide 3 se situe en partie basse du réservoir 105 tandis que le fluide à l'état gazeux 4 se situe en partie haute du réservoir 105.
  • L'agencement du réservoir 105 est configuré pour que la pression du réservoir Pr soit uniforme avec la pression en entrée 41 de pompe 104. De ce fait, le réservoir 105 et notamment la conduite de piquage 114 est agencée à proximité immédiate et suffisante de l'entrée de la pompe 104. La conduite de piquage 114 est préférentiellement de longueur réduite et horizontale. On entend à proximité immédiate par exemple : à moins un mètre, de préférence à moins de 0.5 mètre, voire moins de 0.2 mètre ; cette proximité du réservoir 105 et de l'entrée 41 de pompe 104 permet également un rétablissement rapide de la pression en entrée 41 de pompe 104 pour limiter les risques de cavitation.
  • Selon l'invention, le système comprend un dispositif de régulation de la charge fluidique en circulation dans le circuit fluidique. Ce dispositif de régulation est configuré pour fonctionner en circuit fermé avec le circuit fluidique. C'est-à-dire que le dispositif d'autorégulation ne fait appel qu'au fluide de travail présent dans le circuit fluidique et dans le réservoir 105. Le dispositif de régulation est configuré pour maintenir des conditions de saturation dans le réservoir 105.
  • Le dispositif de régulation est configuré pour qu'en entrée 41 de pompe 104 la température du fluide de travail soit égale à la température de saturation du fluide moins la différence de température de sous-refroidissement. De même, la pression en entrée 41 de pompe 104 est uniforme avec la pression du réservoir 105.
  • Le dispositif de régulation comprend des éléments d'apport d'énergie préférentiellement thermique dans le réservoir 105 destinés à augmenter la pression du réservoir et injecter le fluide de travail du réservoir 105 vers le circuit fluidique. Les éléments d'apport d'énergie augmentent l'enthalpie du réservoir, la température du fluide dans le réservoir 105 ainsi que la pression augmente tandis que la densité diminue ce qui induit le déplacement du fluide de travail du réservoir 105 vers le circuit fluidique et plus précisément la conduite de pompe 113. Le déplacement se fait de manière passive c'est-à-dire sans action d'organe mécanique au niveau de la conduite de piquage 114. Le fluide de travail injecté dans le circuit fluidique est à l'état liquide.
  • Les éléments d'apport d'énergie peuvent être divers tels qu'illustrés aux figures 5 à 7.
  • Suivant un premier mode de réalisation illustré à la figure 5, ils comprennent une ou deux ou plusieurs cannes chauffantes 5 plongeant dans le réservoir 105. Les cannes chauffantes 5 chauffent le fluide de travail augmentant ainsi sa température.
  • Suivant un deuxième mode de réalisation illustré à la figure 6, ils comprennent un module d'injection de fluide de travail, dans le réservoir 105, prélevé à la sortie 12 du premier échangeur 101. Le module d'injection comprend une conduite 116 d'injection de fluide de travail raccordée fluidiquement à une première extrémité à la sortie 12 du premier échangeur 101 et à une deuxième extrémité au réservoir 105. Le fluide de travail prélevé et injecté dans le réservoir 105 est à l'état de vapeur comprimée haute pression. Préférentiellement, le module comprend un injecteur 6 et/ou une vanne, ou tout autre moyen de contrôle d'injection, destiné à contrôler l'injection de fluide de travail.
  • Suivant un troisième mode de réalisation illustré à la figure 7, ils comprennent un couplage 7 au moins partiel de la première source de chaleur 1 permettant ainsi d'augmenter l'enthalpie du fluide dans le réservoir 105.
  • Le dispositif de régulation comprend des éléments de retrait d'énergie préférentiellement thermique du réservoir 105 destinés à diminuer la pression du réservoir et aspirer le fluide de travail du circuit fluidique vers le réservoir. Les éléments de retrait d'énergie diminuent l'enthalpie du réservoir 105, la température du fluide dans le réservoir 105 ainsi que la pression diminue tandis que la densité augmente ce qui induit le déplacement du fluide de travail du circuit fluidique et plus précisément la conduite de pompe 113 vers le réservoir 105. Le retrait du fluide de travail du circuit fluidique se fait de manière passive par aspiration sans action d'organe mécanique au niveau de la conduite de piquage 114. Le fluide de travail aspiré depuis le circuit fluidique est à l'état liquide.
  • Les éléments de retrait d'énergie peuvent être divers tels qu'illustrés aux figures 8 à 10.
  • Suivant un premier mode de réalisation illustré à la figure 8, ils comprennent un module de réjection de fluide de travail à l'état gazeux contenu dans le réservoir 105 en direction de l'entrée 21 du deuxième échangeur 102. Le module de réjection comprend une conduite 115 de réjection de fluide de travail raccordée fluidiquement à une première extrémité au réservoir 105 et à une deuxième extrémité à l'entrée 21 du deuxième échangeur 102. Le fluide évacué du réservoir et injecté en entrée 21 du deuxième échangeur 102 est à l'état gazeux. Préférentiellement, le module comprend un injecteur ou éjecteur 9 et/ou une pompe et/ou une vanne, destiné à contrôler la réjection du fluide de travail.
  • Suivant un deuxième mode de réalisation illustré à la figure 9, ils comprennent un module d'injection de fluide de travail, dans le réservoir 105, prélevé à la sortie 42 de la pompe 104. Le module d'injection comprend une conduite 117 d'injection de fluide de travail raccordée fluidiquement à une première extrémité à la sortie 41 de la pompe 104 et à une deuxième extrémité au réservoir 105. Le fluide de travail prélevé et injecté dans le réservoir est à l'état de liquide détendu. Préférentiellement, le module comprend un injecteur 8 et/ou une vanne, destiné à contrôler l'injection de fluide de travail.
  • Suivant un troisième mode de réalisation illustré à la figure 10, ils comprennent un couplage 10 au moins partiel de la deuxième source de chaleur 2 permettant ainsi de diminuer l'enthalpie du fluide dans le réservoir 105.
  • Les variations de la charge fluidique circulante dues aux prélèvements et rejections du fait des éléments d'apport et de retrait d'énergie sont minimes, ponctuelles et n'ont pas d'influence de synergie avec l'aspiration ou l'injection de fluide de travail vers et depuis le réservoir 105.
  • Selon un mode de réalisation particulier, la température de la source chaude 1 est inférieure à 200°C et de préférence inférieure à 150°C et la température de la source froide 2 est inférieure à 50°C et de préférence de l'ordre de 20°C. De préférence, la température de la source froide 2 est supérieure à la température ambiante et plus généralement de l'ordre de la température ambiante.
  • Pour le premier échangeur 101, c'est-à-dire l'échangeur chaud, la température maximale est celle de la sortie 32 de l'expanseur 103, c'est-à-dire un peu moins de 150°C. La température minimale est celle de la sortie 42 de la pompe 104, c'est-à-dire un peu plus haut que la température ambiante.
  • Pour le deuxième échangeur 102, c'est-à-dire l'échangeur froid, la température maximale est celle de la sortie de la turbine ou autre expanseur 103, c'est-à-dire intermédiaire, comprise entre les températures des sources chaude (150°C) et froide (20°C). La température minimale du deuxième échangeur 102 est celle de la température de la source froide, c'est-à-dire, en général la température ambiante.
  • Selon une variante pouvant être utilisée indépendamment, l'invention concerne un module d'autorégulation 200 illustré aux figures 11 à 13 destiné à réguler la pressurisation et la dépressurisation du réservoir 105 pour contrôler la charge fluidique en circulation dans le circuit fluidique. Le module d'autorégulation 200 est avantageusement à fonctionnement mécanique permettant une régulation entièrement automatique et mécanique.
  • Le module d'autorégulation 200 illustré à la figure 13 comprend un détendeur 201 compensé couplé à une soupape 203 compensée.
  • Le module d'autorégulation 200 est configuré pour empêcher que la soupape 203 et le détendeur 201 soient en position ouverte simultanément.
  • Préférentiellement, le détendeur 201 et la soupape 203 sont agencés dans un boitier 205. Le détendeur 201 est associé à un ressort 202 ayant raideur Kd tandis que la soupape 203 est associée à un ressort 204 ayant raideur Ks. Avantageusement, la raideur Kd du ressort 202 de détendeur 201 est inférieure à la raideur Ks du ressort 204 de soupape 203.
  • Le boitier 205 est configuré pour gérer les différentiels de pression pour réguler la charge fluidique en circulation dans le circuit fluidique. Le boitier 205 est connecté fluidiquement aux éléments dont la pression doit être contrôlée. Suivant le mode de réalisation dans lequel le module d'autorégulation 200 est associé au dispositif de régulation de la charge fluidique en circulation dans le circuit fluidique, le boitier 205 est connecté au dispositif de régulation de la charge fluidique et plus précisément aux éléments d'apport d'énergie et de retrait d'énergie. Notamment selon le mode de réalisation dans lequel l'élément d'apport d'énergie comprend un module d'injection du fluide de travail prélevé à la sortie 12 du premier échangeur 101 et l'élément de retrait d'énergie comprend un module de réjection du fluide de travail à l'état gazeux 4 hors du réservoir 105 vers l'entrée 21 du deuxième échangeur 102 ou un module d'injection de fluide de travail prélevé en entrée 41 de la pompe 104.
  • Le boitier 205 est connecté fluidiquement au réservoir 105, préférentiellement il est raccordé directement par une conduite de sorte à être soumis à la pression du réservoir Pr. La pression du réservoir Pr s'exerce sur le détendeur 201 et la soupape 203. Le boitier 205 comprend une première ouverture 206 permettant la connexion fluidique du réservoir 105 avec le module d'autorégulation 200.
  • Le boitier 205 est connecté fluidiquement à un moyen de production d'une pression de contrôle Pc correspondant préférentiellement à la pression de saturation du fluide de travail en entrée 41 de pompe 104. La pression de contrôle Pc s'exerce sur le détendeur 201 et la soupape 203. Le boitier 205 comprend une deuxième ouverture 207 permettant la connexion fluidique de la pression de contrôle avec le module d'autorégulation 200.
  • La pression de contrôle Pc et la pression du réservoir Pr s'opposent relativement l'une de l'autre relativement à la soupape 203 et au détendeur 201. C'est-à-dire que la pression de contrôle Pc et la pression de réservoir Pr exercent des forces opposées sur la soupape 203 et le détendeur 201.
  • Le boitier 205 est connecté fluidiquement au circuit fluidique, précisément à la sortie 12 du premier échangeur 101, préférentiellement il est raccordé directement par une conduite 116. Une première extrémité de la conduite 116 est piquée sur la sortie 12. Le boitier 205 comprend une troisième ouverture 208 permettant la connexion fluidique de la deuxième extrémité de la conduite 116 avec le module d'autorégulation 200.
  • Le boitier 205 est connecté fluidiquement au circuit fluidique, précisément à l'entrée 41 de la pompe 104, préférentiellement il est raccordé directement par une conduite 117. Une première extrémité de la conduite 117 est piquée sur l'entrée 41 de pompe 104. Le boitier 205 comprend une quatrième ouverture 209 permettant la connexion fluidique de la deuxième extrémité de la conduite 117 avec le module d'autorégulation 200.
  • De manière alternative, le boitier 205 est connecté fluidiquement au circuit fluidique, précisément à l'entrée 21 du deuxième échangeur 102, préférentiellement il est raccordé directement par une conduite 115. Une première extrémité de la conduite 115 est piquée sur l'entrée 21. Le boitier 205 comprend une quatrième ouverture 209 permettant la connexion fluidique de la deuxième extrémité de la conduite 117 avec le module d'autorégulation 200.
  • La figure 14 illustre différents cas d'autorégulation de la charge fluidique en circulation dans le circuit fluidique.
  • Avantageusement, la raideur du ressort de détendeur Kd est inférieure à la raideur du ressort de soupape Ks. Premier cas (301), lorsque la pression du réservoir Pr est supérieure à la somme de la pression de contrôle Pc et de la raideur du ressort de soupape Ks. Dans ce cas, la pression de réservoir Pr est également supérieure à la somme de la pression de contrôle Pc et de la raideur de détendeur Kd. Ainsi, la force exercée par la pression du réservoir Pr par la première ouverture 206 du boitier 205 sur le détendeur 201 et la soupape 203 est supérieure à la force de la pression de contrôle Pc exercée par la deuxième ouverture 207 du boitier 205 sur le détendeur 201 et la soupape 203. La raideur des ressorts de détendeur et de soupape Kd et Ks ne compensent pas ce différentiel induisant l'ouverture de la soupape 203 (304) et maintenant le détendeur 201 fermé.
  • L'ouverture de la soupape 203 signifie que la quatrième ouverture 209 du boitier 205 est ouverte laissant selon le mode de réalisation, soit pénétrer, dans le réservoir, le fluide de travail prélevé en entrée 41 de la pompe 104, soit sortir du réservoir 105 le fluide de travail à l'état gazeux vers l'entrée 21 du deuxième échangeur 102.
  • Ce déplacement de fluide entraine une baisse de la pression (307) dans le réservoir 105 générant une aspiration 120 de fluide de travail vers le réservoir depuis le circuit fluidique. La diminution de la quantité de fluide de travail dans le circuit fluidique permet de diminuer la pression en entrée de pompe et donc le sous-refroidissement limitant la dégradation des performances de la machine de Rankine.
  • La pression du réservoir Pr ayant diminuée, elle est à présent dans le deuxième cas (302), c'est dire inférieure à la somme de la pression de contrôle Pc et de la raideur du ressort de soupape Ks et reste supérieure à la somme de la pression de contrôle Pc et de la raideur de détendeur Kd.
  • Ainsi, la force exercée par la pression du réservoir Pr par la première ouverture 206 du boitier 205 sur le détendeur 201 et la soupape 203 est supérieure à la force de la pression de contrôle Pc exercée par la deuxième ouverture 207 du boitier 205 sur le détendeur 201 et la soupape 203. La raideur des ressorts de détendeur et de soupape Kd et Ks compensent ce différentiel maintenant fermés la soupape 203 et le détendeur 201 (305).
  • Le détendeur 201 et la soupape 203 étant fermés, il n'y a pas de circulation de fluide que ce soit au niveau du module d'autorégulation 200 ou entre le réservoir 105 et le circuit fluidique.
  • Lorsque la pression de réservoir diminue, la pression de réservoir Pr est inférieure à la somme de la pression de contrôle Pc et de la raideur du ressort de soupape Ks et à la somme de la pression de contrôle Pc et de la raideur du ressort de détendeur Kd (303).
  • La force exercée par la pression du réservoir Pr par la première ouverture 206 du boitier 205 sur le détendeur 201 et la soupape 203 est supérieure à la force de la pression de contrôle Pc exercée par la deuxième ouverture 207 du boitier 205 sur le détendeur 201 et la soupape 203.. La raideur des ressorts de détendeur et de soupape Kd et Ks ne compensent pas ce différentiel induisant l'ouverture du détendeur 201 (306) et maintenant la soupape 203 fermé.
  • L'ouverture du détendeur 201 signifie que la troisième ouverture 208 du boitier 205 est ouverte laissant pénétrer, dans le réservoir, le fluide de travail prélevé en sortie 12 du premier échangeur 101. Ce déplacement de fluide entraine une augmentation de la pression (309) dans le réservoir Pr générant une injection 121 de fluide de travail vers le circuit fluidique depuis le réservoir 105. L'augmentation de la quantité de fluide de travail dans le circuit fluidique permet d'augmenter la pression en entrée 41 de pompe 104 et donc le sous-refroidissement limitant les risques de cavitation.
  • La pression de contrôle Pc est transmise au module d'autorégulation 200 au niveau de la deuxième ouverture 207 par un module de production d'une pression de contrôle.
  • Plusieurs variantes sont possibles pour le module de production d'une pression de contrôle. Deux d'entre elles sont illustrées aux figures 11 et 12.
  • La figure 12 indique que la pression de contrôle est transmise par un module de production du type source de gaz dont la pression est régulée. Pour réguler la marge de cavitation en entrée 41 de pompe 104, le module comprend des moyens de mesures types capteurs de variables en entrée 41 de pompe 104 tels que la température et la pression et des moyens de régulation de la pression de contrôle Pc en fonction de ces variables. Dans ce cas-là, le module d'autorégulation 200 est configuré pour assurer que la séparation entre la deuxième ouverture 207 et le reste du module 200 est hermétique de sorte à assurer qu'il n'y ait pas de contamination du fluide de travail pas le gaz du module de production de la pression de contrôle.
  • La figure 12 illustre par ailleurs, une partie du circuit fluidique du système selon l'invention avec la pompe 104, le premier échangeur 101, le deuxième échangeur 102, le réservoir 105, le module d'autorégulation 200. Entre la sortie 22 du deuxième échangeur 102 et la sortie 12 du premier échangeur 101, sont agencés dans le sens de circulation du fluide de travail, la conduite de piquage 114 du réservoir 105, la pompe 104, la conduite d'injection 117 de l'élément de retrait d'énergie, le premier échangeur 101 et la conduite d'injection 116 de l'élément d'apport d'énergie.
  • Le module d'autorégulation 200 étant connecté fluidiquement par ces différentes ouvertures :
    • au réservoir 105 par la première ouverture 206,
    • à l'élément d'apport d'énergie du dispositif de régulation de la charge fluidique, étant dans ce cas-là un module d'injection de fluide dans le réservoir 105 prélevé en sortie 12 du premier échangeur 101, la sortie 12 étant directement raccordée à la troisième ouverture 208 du module d'autorégulation 200 par la conduite 116,
    • à l'élément de retrait d'énergie du dispositif de régulation de la charge fluidique, étant dans ce cas-là un module d'injection de fluide dans le réservoir prélevé en entrée 41 de la pompe 104, l'entrée 41 étant directement raccordée à la quatrième ouverture 209 du module d'autorégulation 200 par la conduite 117.
  • La figure 11 indique que la pression de contrôle est transmise par un module de production particulier. Le module de production comprend un ballon 210 rempli de fluide de travail limitant ainsi les risques de contamination, connecté fluidiquement à la deuxième ouverture 207 du module d'autorégulation 200. Préférentiellement, le ballon 210 est maintenu à température de saturation du fluide en entrée 41 de pompe 104. À cet effet, le ballon 210 est avantageusement plongé dans le fluide de travail circulant dans le circuit fluidique. Préférentiellement, le ballon 210 est agencé en sortie 22 du deuxième échangeur 102. De cette manière, la pression de contrôle Pc est égale à la pression du fluide dans le ballon 201, elle-même égale à la pression de saturation du fluide en circulation dans la conduite de pompe 113, c'est-à-dire à la pression de saturation en entrée 41 de pompe 104.
  • La figure 11 illustre par ailleurs, une partie du circuit fluidique du système selon l'invention avec la pompe 104, le premier échangeur 101, le deuxième échangeur 102, le réservoir 105, le module d'autorégulation 200. Entre la sortie 22 du deuxième échangeur 102 et l'entrée 21 du deuxième échangeur 101, sont agencés dans le sens de circulation du fluide de travail, le ballon 210 plongeant dans la conduite 113 de pompe, la conduite de piquage 114 du réservoir 105, la pompe 104, le premier échangeur 101, la conduite d'injection 116 de l'élément d'apport d'énergie, l'expanseur (non représenté) puis la conduite de réjection 115 de l'élément de retrait d'énergie.
  • Le module d'autorégulation étant connecté fluidiquement par ces différentes ouvertures :
    • au réservoir 105 par la première ouverture 206,
    • à l'élément d'apport d'énergie du dispositif de régulation de la charge fluidique, étant dans ce cas-là un module d'injection de fluide dans le réservoir prélevé en sortie 12 du premier échangeur 101, la sortie 12 étant directement raccordée à la troisième ouverture 208 du module d'autorégulation 200 par la conduite 116,
    • à l'élément de retrait d'énergie du dispositif de régulation de la charge fluidique, étant dans ce cas-là un module de réjection de fluide à l'état gazeux du réservoir vers l'entrée 21 du deuxième échangeur 102, l'entrée 21 étant directement raccordée à la quatrième ouverture 209 du module d'autorégulation 200 par la conduite 115.
  • Le principe à la base de l'invention procure de nombreux avantages et en particulier celui de pouvoir contrôler au mieux la charge du fluide et donc le sous-refroidissement, afin que celui-ci ne soit ni trop petit (risque de cavitation) ni trop grand (dégradation des performances globales du cycle).
  • Un intérêt supplémentaire de l'invention est aussi de diminuer le risque de cavitation dans la pompe. La pression d'entrée dans la pompe est réguléedans le cas de l'invention. En effet, la marge à la cavitation pour une installation donnée s'exprime par l'écart entre la pression d'entrée moins la pression de vapeur saturante et une valeur caractéristique de la pompe (NPSH : net positive suction head).
  • Procédés de génération d'énergie électrique dans l'industrie électrique ou dans celle de la transformation (métallurgie, chimie, papeterie, cimenterie, agro-alimentaire) avec des rejets thermiques y compris à basse température, le transport avec moteur thermique (camion, automobile, bateau, train), le solaire à concentration, la géothermie ou encore la biomasse.
  • À titre d'exemple non limitatif
    Pour un cycle ORC avec les caractéristiques suivantes :
    • Fluide de travail : R134a
    • Température de sortie condenseur 102 : 20 °C
    • Température de sortie évaporateur 101 : 100 °C
    • NPSH requis à la pompe 104 : 0.5 bar
    • Pression de sortie pompe 104 : 35 bars
  • Dans le cas de la Figure 11 avec dépressurisation par réjection de vapeur. La pression de contrôle Pc est égale à la pression de saturation en entrée 41 de pompe 104. On choisit donc une raideur de ressort de détendeur Kd correspondant à une pression égale au NPSH requis soit 0.5 bar. Si l'on souhaite une hystérésis de 0.5 bar, on choisit une raideur de ressort de soupape Ks avec un équivalent pression 0.5 bar supérieur à Kd soit 1 bar.
    À l'équilibre :
    • Température en entrée pompe, et dans le ballon : 20°C soit une pression de saturation de 5.71 bars. Donc Pc = 5.71 bars.
    • Pression en entrée pompe correspondant à un NPSH de 0.5 bar, donc Pr = 5.71+0.5 = 6.21 bars
    • Température dans le réservoir (saturation) = 22.7°C
    Cas d'une augmentation de température en sortie condenseur 102 de 20°C à 22°C :
    • Température en entrée 41 de pompe 104 et dans le ballon 210 : 22°C, soit une pression de saturation de 6.08 bars. Donc Pc = 6.08 bars.
    • Comme Pr (6.21 bars) < Pc (6.08 bars) + Kd (0.5 bar), le détendeur 201 s'ouvre et permet l'injection de fluide haute température dans le réservoir 105.
    • Du fluide est injecté dans le circuit fluidique de l'ORC, la pression dans la conduite d'entrée pompe 113 et dans le réservoir augmente jusqu'à Pr = Pc + Kd = 6.58 bars.
    • Les conditions en entrée 41 de pompe 104 donnent un NPSH de 0.5 bar.
    • Température dans le réservoir 105 (saturation) = 24.7°C
    Cas d'une baisse de température en sortie condenseur 102 de 22°C à 18°C :
    • Température en entrée 41 de pompe 104 et dans le ballon 210 : 18°C, soit une pression de saturation de 5.37 bars. Donc Pc = 5.37 bars.
    • Comme Pr (6.58 bars) < Pc (5.37 bars) + Ks (1 bar), la soupape 203 s'ouvre et permet la réjection de vapeur du réservoir 105 vers le condenseur 102.
    • Du fluide est aspiré à la sortie du condenseur 102 et entre dans le réservoir 105. La pression dans la conduite entrée 41 de pompe 104 et dans le réservoir 105 baisse jusqu'à Pr = Pc + Ks = 6.37 bars.
    • Les conditions en entrée 41 de pompe 104 donnent un NPSH de 1 bar.
    • Température dans le réservoir 105 (saturation) = 23.7°C
    REFERENCES
    1. 1. Première source de chaleur
    2. 2. Deuxième source de chaleur plus froide que la première
    3. 3. Fluide de travail à l'état liquide
    4. 4. Fluide de travail à l'état gazeux
    5. 5. Cannes chauffantes
    6. 6. Injecteur de fluide haute température
    7. 7. By pass de la première source de chaleur
    8. 8. Injecteur de fluide basse température
    9. 9. Ejecteur de fluide à l'état gazeux
    10. 10. By pass de la deuxième source de chaleur
    11. 11. Entrée premier échangeur
    12. 12. Sortie premier échangeur
    • 21. Entrée deuxième échangeur
    • 22. Sortie deuxième échangeur
    • 31. Entrée expanseur
    • 32. Sortie expanseur
    • 41. Entrée pompe
    • 42. Sortie pompe
    • 100. Cycle Rankine
    • 101. Premier échangeur
    • 102. Deuxième échangeur
    • 103. Expanseur
    • 104. Pompe
    • 105. Réservoir
    • 110. Conduite premier échangeur
    • 111. Conduite expanseur
    • 112. Conduite deuxième échangeur
    • 113. Conduite pompe
    • 114. Conduite piquage réservoir
    • 115. Conduite réjection fluide à l'état gazeux
    • 116. Conduite injection fluide haute température
    • 117. Conduite injection fluide basse température
    • 120. Aspiration fluide
    • 121. Injection fluide
    • 200. Module d'autorégulation
    • 201. Détendeur
    • 202. Ressort de détendeur
    • 203. Soupape
    • 204. Ressort de soupape
    • 205. Boitier
    • 206. Première ouverture
    • 207. Deuxième ouverture
    • 208. Troisième ouverture
    • 209. Quatrième ouverture
    • 210. Ballon
    • 300. Pression réservoir
    • 301. Pression réservoir supérieure à la somme de la pression de contrôle et de la raideur du ressort de soupape
    • 302. Pression réservoir supérieure à la somme de la pression de contrôle et la raideur du ressort de détendeur, mais inférieure à la somme de la pression de contrôle et de la raideur du ressort de soupape.
    • 303. Pression réservoir inférieure à la somme de la pression de contrôle et de la raideur du ressort de détendeur
    • 304. Ouverture soupape
    • 305. Fermeture soupape et détendeur
    • 306. Ouverture détendeur
    • 307. Pression réservoir diminue
    • 308. Pression réservoir constante
    • 309. Pression réservoir augmente
    • Pr. Pression réservoir
    • Pc. Pression contrôle
    • Kd. Raideur ressort détendeur
    • Ks. Raideur ressort soupape

Claims (20)

  1. Système de production d'énergie électrique ou mécanique comprenant un circuit fluidique dans lequel circule un fluide de travail et comprenant une pluralité d'organes traversés par le fluide de travail et parmi lesquels :
    - au moins un premier échangeur de chaleur (101) configuré pour être couplé thermiquement à au moins une première source de chaleur (1),
    - un expanseur (103) dont une entrée (31) est fluidiquement raccordée à une sortie (12) du premier échangeur (101),
    - un deuxième échangeur de chaleur (102) configuré pour être couplé thermiquement à une deuxième source de chaleur (2) plus froide que la première source de chaleur (1)
    - au moins une pompe (104) configurée pour mettre en mouvement le fluide de travail dans le circuit fluidique,
    - au moins un réservoir (105) recevant le fluide de travail et agencé entre le deuxième échangeur (102) et la pompe (104) sur une conduite de piquage (114),
    le circuit fluidique étant configuré de manière à ce que le fluide de travail passe successivement par au moins la pompe (104), le premier échangeur (101), l'expanseur (103) et le deuxième échangeur (102), puis à nouveau la pompe (104)
    caractérisé en ce que le système comprend un dispositif de régulation de la charge fluidique en circulation dans le circuit fluidique configuré pour fonctionner en circuit fermé avec le circuit fluidique et maintenir des conditions de saturation dans le réservoir (105) de sorte que le réservoir (105) contienne le fluide de travail simultanément à l'état liquide (3) et à l'état gazeux (4), le dispositif de régulation comprenant des éléments d'apport d'énergie thermique (5, 6, 7) dans le réservoir (105) destinés à augmenter la pression du réservoir (Pr) et induire l'injection du fluide de travail du réservoir dans le circuit fluidique et des éléments de retrait d'énergie (8, 9, 10) du réservoir (105) destinés à diminuer la pression du réservoir (Pr) et induire l'aspiration vers le réservoir (105) du fluide de travail hors du circuit fluidique.
  2. Système selon la revendication précédente dans lequel le réservoir (105) est directement raccordé à la conduite de piquage (114) qui est elle-même directement raccordée au circuit fluidique entre le deuxième échangeur (102) et la pompe (104), avantageusement, le système ne comprend pas de fluide autre que le fluide de travail.
  3. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel les éléments d'apport d'énergie thermique comprennent au moins une canne chauffante (5) plongeant dans le réservoir (105), et/ou un module d'injection, dans le réservoir (105), de fluide de travail prélevé à la sortie (12) du premier échangeur (101), et/ou un couplage (7), au moins partiel, du réservoir (105) avec la première source de chaleur (1).
  4. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel les éléments de retrait d'énergie comprennent un module d'éjection, hors du réservoir (105), du fluide de travail à l'état gazeux (4) en direction de l'entrée (21) du deuxième échangeur (102) et/ou un module d'injection, dans le réservoir (105), de fluide de travail prélevé à la sortie (42) de la pompe (104), et/ou un couplage (10) au moins partiel du réservoir (105) avec de la deuxième source de chaleur (2).
  5. Système selon l'une quelconque de revendications 1 ou 2 comprenant un module d'autorégulation à fonctionnement mécanique destiné à réguler la pressurisation et la dépressurisation du réservoir (105).
  6. Système selon la revendication précédente dans lequel le module d'autorégulation comprend un détendeur (201) compensé couplé à une soupape (203) compensée.
  7. Système selon l'une quelconque des deux revendications précédentes dans lequel le module d'autorégulation (200) comprend un boitier (205) recevant un détendeur (201) associé à un ressort (202) de détendeur et une soupape (203) associée à un ressort (204) de soupape.
  8. Système selon l'une quelconque des trois revendications précédentes dans lequel les éléments d'apport d'énergie thermique comprennent un module d'injection, dans le réservoir (105), de fluide de travail prélevé à la sortie (12) du premier échangeur (101) et les éléments de retrait d'énergie comprennent un module d'éjection du fluide à l'état gazeux (4), hors du réservoir (105), en direction de l'entrée (21) du deuxième échangeur (102) ou un module d'injection, dans le réservoir (105), de fluide de travail prélevé à la sortie (42) de la pompe (104).
  9. Système selon la revendication précédente dans lequel le boitier (205) comprend une première ouverture (206) en liaison fluidique avec le réservoir (105) de sorte à être soumise à la pression du réservoir Pr, une deuxième ouverture (207) en liaison fluidique avec un module de production de pression de contrôle de sorte à être soumise à une pression contrôlée Pc, une troisième ouverture (208) d'injection, dans le réservoir (105), de fluide de travail prélevé à la sortie (12) du premier échangeur (101), une quatrième ouverture (209) d'injection, dans le réservoir (105), de fluide de travail prélevé à la sortie (42) de la pompe (104) ou d'éjection, hors du réservoir (105), de fluide de travail à l'état gazeux (4) vers l'entrée (21) du deuxième échangeur (102).
  10. Système selon la revendication précédente dans lequel la pression de contrôle Pc est égale à la pression de saturation du fluide en entrée (41) de pompe (104), pendant l'opération du système.
  11. Système selon l'une quelconque des trois revendications précédentes dans lequel le ressort de soupape (204) présente une raideur Ks supérieure à celle du ressort de détendeur (202).
  12. Système selon la revendication précédente dans lequel le module d'autorégulation (200) est configuré pour être à l'équilibre, avec le détendeur (201) fermé et la soupape (203) fermée, lorsque la pression du réservoir Pr est à la fois supérieure à la somme de la pression de contrôle Pc et de la raideur Kd du ressort du détendeur (202). et inférieure à la somme de la pression de contrôle Pc et de la raideur Ks du ressort de la soupape (204).
  13. Système selon l'une quelconque des deux revendications précédentes dans lequel le module d'autorégulation (200) est configuré pour que l'ouverture de la soupape (203) mette en connexion fluidique le réservoir (105) et l'entrée (21) du deuxième échangeur (102) ou la sortie (42) de la pompe (104) par la quatrième ouverture (209).
  14. Système selon l'une quelconque des trois revendications précédentes dans lequel le module d'autorégulation (200) est configuré pour que l'ouverture du détendeur (201) mette en connexion fluidique le réservoir (105) et la sortie (12) du premier échangeur (101) par la troisième ouverture (208).
  15. Système selon l'une quelconque des six revendications précédentes dans lequel le module de production de pression de contrôle comprend un ballon (210) rempli de fluide de travail connecté fluidiquement à la deuxième ouverture (207) du boitier (205), le ballon (210) étant agencé pour plonger dans le fluide de travail du circuit fluidique en sortie (22) du deuxième échangeur (102) de sorte que la température du fluide contenu dans le ballon (210) soit identique à celle du fluide de travail du circuit fluidique en entrée (41) de pompe (104).
  16. Système selon l'une quelconque des revendications 9 à 14 dans lequel le module de production de pression de contrôle comprend une source de gaz à pression régulée en connexion fluidique avec la deuxième ouverture (207) du boitier (205), des capteurs de pression et/ou de température en entrée (41) de pompe (104) et des moyens de régulations de la pression de la source de gaz de sorte à définir une pression de contrôle Pc.
  17. Procédé de régulation de la charge fluidique en circulation dans le circuit fluidique d'un système de production d'énergie selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant les étapes suivantes :
    - une étape de montée en pression du fluide de travail au travers de la pompe (104),
    - une étape de chauffage du fluide de travail au travers du premier échangeur de chaleur (101),
    - une étape de détente du fluide de travail issu du premier échangeur (101) au travers de l'expanseur (103),
    - une étape de refroidissement du fluide de travail au travers du deuxième échangeur de chaleur (102),
    caractérisé en ce qu'il comprend
    - une étape de maintien de conditions saturantes dans le réservoir (105) pour maintenir le fluide de travail simultanément sous deux états gazeux (4) et liquide (3) dans le réservoir (105) par
    - une étape d'apport d'énergie thermique dans le réservoir (105) comprenant l'augmentation de la pression dans le réservoir (105) et l'ajout de fluide de travail dans le circuit fluidique par injection depuis le réservoir (105),
    - ou alternativement une étape de retrait d'énergie hors du réservoir (105) comprenant la diminution de la pression dans le réservoir (105) et le retrait de fluide de travail du circuit fluidique par aspiration vers le réservoir (105).
  18. Procédé selon la revendication précédente en combinaison avec les revendication 9 et 11 comprenant une étape d'autorégulation destinée à réguler la pressurisation et la dépressurisation du réservoir (105) de sorte qu'à l'équilibre le détendeur (201) et la soupape (203) soient fermés lorsque la pression du réservoir Pr est à la fois supérieure à la somme de la pression de contrôle Pc et de la raideur Kd du ressort du détendeur (202) et inférieure à la somme de la pression de contrôle Pc et de la raideur Ks du ressort de la soupape (204).
  19. Procédé selon l'une quelconque des deux revendications précédentes en combinaison avec les revendications 9 et 11 comprenant lorsque la pression du réservoir Pr est supérieure à la somme de la pression de contrôle Pc et de la raideur Ks du ressort (204) de la soupape (203), l'ouverture de la soupape (203) mettant en connexion fluidique le réservoir (105) et l'entrée (21) du deuxième échangeur (102) ou la sortie (42) de la pompe (104) par la quatrième ouverture (209) de sorte à diminuer la pression du réservoir Pr.
  20. Procédé selon l'une quelconque des trois revendications précédentes en combinaison avec les revendications 9 et 11 comprenant lorsque la pression du réservoir Pr est inférieure à la pression de contrôle Pc additionnée à la raideur Kd du ressort de détendeur (202), l'ouverture du détendeur mettant en connexion fluidique le réservoir (105) et la sortie (12) du premier échangeur (101) par la troisième ouverture (208) de sorte à augmenter la pression du réservoir Pr.
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