DOMAINE TECHNIQUE
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L'invention concerne le domaine des systèmes thermodynamiques pour la production d'énergie électrique et d'énergie thermique. Elle trouve pour application particulièrement avantageuse le domaine des systèmes stationnaires à partir de source chaleur à basse température telle que des rejets thermiques de procédés industriels, le solaire thermique, la biomasse, la géothermie, des turbines à gaz.
ETAT DE LA TECHNIQUE
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Les enjeux sociétaux concernant la valorisation de la chaleur fatale sont de plus en plus prégnants. La chaleur fatale présentant une température comprise entre 70 °C et 95 °C, par exemple issu de procédés industriels et une source de chaleur qui doit être valorisée pour permettre la production décarbonée d'électricité ou de chaleur industrielle classiquement au-dessus de 100 ° C.
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On connaît déjà des systèmes de production de chaleur tels que des pompes à chaleur classiques qui utilisent de l'énergie fatale pour produire de la chaleur à plus haute température.
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On connaît également des machines transformatrices de chaleur (TCA) à absorption ou en anglais Absorption Heat Transformer (AHT) pour la production de la Chaleur à Haute Température.
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Des cycles de kalina pour la production d'électricité par des machines à absorption sont également connus.
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Toutefois pour assurer une valorisation optimale de la chaleur fatale il est recherché d'avoir des systèmes de conversion flexible avec un fonctionnement réversible de machines compactes et performantes.
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Il existe donc le besoin de proposer une solution atteignant tout ou partie de ces objectifs.
RESUME
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Pour atteindre cet objectif, selon un mode de réalisation on prévoit une machine thermodynamique réversible pour la production d'électricité et de chaleur comprenant :
- un premier échangeur thermique configuré pour fonctionner alternativement en tant que générateur ou en tant qu'absorbeur,
- un deuxième échangeur thermique configuré pour fonctionner alternativement en tant qu'absorbeur ou en tant que générateur,
- un compresseur réversible configuré pour fonctionner alternativement en tant que compresseur ou en tant qu'organe de détente,
- avantageusement une pompe à solution,
- avantageusement une vanne de détente.
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De manière caractéristique, la machine thermodynamique réversible comprend :
- un premier réservoir de séparation de phases,
- un deuxième réservoir de séparation de phases,
- un premier circuit destiné à la production de chaleur mettant en connexion fluidique, préférentiellement directement, successivement le premier échangeur thermique fonctionnant en tant que générateur, puis le premier réservoir de séparation de phases connecté fluidiquement en parallèle au compresseur réversible fonctionnant en tant que compresseur et à la pompe à solution, le compresseur réversible et la pompe à solution étant connectés fluidiquement au deuxième échangeur thermique fonctionnant en tant qu'absorbeur, puis au deuxième réservoir de séparation de phases puis à la vanne de détente, puis au premier échangeur thermique fonctionnant en tant que générateur et
- un deuxième circuit à compression destiné à la production d'électricité mettant en connexion fluidique, préférentiellement directement, successivement le premier échangeur thermique fonctionnant en tant qu'absorbeur, le premier réservoir de séparation de phases, puis la pompe la solution, puis le deuxième échangeur thermique fonctionnant en tant que générateur, puis le deuxième réservoir de séparation de phases, puis en parallèle le compresseur réversible fonctionnant en tant qu'organe de détente et la vanne de détente, la vanne de détente et le compresseur réversible fonctionnant en tant qu'organe de détente étant connectés fluidiquement au premier échangeur thermique fonctionnant en tant qu'absorbeur.
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La machine thermodynamique selon l'invention permet grâce à une architecture simple dans une première configuration la production d'énergie thermique de type chaleur, avantageusement à température et dans une deuxième configuration la production d'électricité à partir d'énergie thermique fatale.
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L'utilisation d'un compresseur réversible dans un cycle à absorption est une démarche non commune pour l'homme du métier pour qui se poseraient des problématiques liées au fluide réfrigérant dans le compresseur en mode expanseur. Le compresseur est ainsi adapté à fonctionner alternativement en expanseur relié à une génératrice pour la production d'électricité et en compresseur actionné par un moteur pour comprimer un fluide.
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Le compresseur réversible est agencé entre le générateur et l'absorbeur.
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L'ajout des réservoirs de séparation de phases permet d'utiliser ce compresseur réversible et la pompe à solution sans endommagement et avec un rendement optimum.
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Avantageusement, la solution de travail comprend comme fluide réfrigérant de l'ammoniac (NH3) et comme absorbant (H2O). De préférence, la solution de travail n'est pas un fluide organique.
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Selon notre aspect, l'invention concerne un procédé de production d'électricité et de chaleur à partir d'une machine thermodynamique réversible telle que décrite ci-dessus comprenant
- une phase de production de chaleur par circulation d'une solution de travail dans le premier circuit de production de chaleur comprenant :
- ∘ la production de vapeur d'ammoniac à basse pression par le premier échangeur thermique fonctionnant en tant que générateur par échange thermique avantageusement avec une première source de chaleur,
- ∘ la séparation dans le premier réservoir de séparation de phases de la solution de travail diphasique issue du premier échangeur thermique fonctionnant en tant que générateur en vapeur transmise au compresseur réversible fonctionnant en tant que compresseur et en solution pauvre en ammoniac transmise à la pompe à solution,
- ∘ l'augmentation de la pression de la vapeur par le compresseur réversible et de la pression de la solution pauvre par la pompe a solution,
- ∘ le mélange de la vapeur à haute pression et de la solution pauvre à haute pression,
- ∘ le chauffage de la source à chauffer par le deuxième échangeur thermique fonctionnant en tant qu'absorbeur générant de la chaleur par réaction exothermique du mélange vapeur à haute pression et solution pauvre haute pression vers la source à chauffer; et avantageusement en alternance
- Une phase de production d'électricité par circulation d'une solution de travail dans le deuxième circuit de production d'électricité comprenant :
- ∘ la production de vapeur d'ammoniac à basse pression par le deuxième échangeur thermique fonctionnant en tant que générateur par échange thermique avantageusement avec une deuxième source de chaleur,
- ∘ la séparation dans le deuxième réservoir de séparation de phases de la solution de travail issue du deuxième échangeur thermique fonctionnant en tant que générateur en vapeur transmise au compresseur réversible fonctionnant en tant qu'organe de détente et en solution pauvre en ammoniac transmise à la vanne de détente,
- ∘ la détente de la vapeur haute pression par le compresseur réversible fonctionnant en tant qu'organe de détente,
- ∘ la production d'électricité par une turbine connectée au compresseur réversible fonctionnant en tant qu'organe de détente,
- ∘ le mélange de la vapeur basse pression issue du compresseur réversible fonctionnant en tant qu'organe de détente et de la solution pauvre issue de la vanne de détente,
- ∘ le rejet de chaleur par le premier échangeur thermique fonctionnant en tant qu'absorbeur générant de la chaleur par réaction exothermique du mélange vapeur à basse pression et solution pauvre à basse pression vers une source froide, la solution de travail riche issue du premier échangeur thermique fonctionnant en tant qu'absorbeur est transmise à la pompe à solution.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
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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 représente la machine thermodynamique réversible selon l'invention en mode production de chaleur par le premier circuit fluidique.
- La figure 2 représente la machine thermodynamique réversible selon l'invention en mode production d'électricité par le deuxième circuit fluidique.
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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
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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 :
Selon un exemple, la machine thermodynamique réversible comprend une solution de travail formée par le couple ammoniac/eau (NH3/H2O) et apte à circuler dans le premier circuit de production de chaleur et dans le deuxième circuit de production d'électricité.
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Selon un exemple, la machine thermodynamique réversible comprend une première source de chaleur (8) circulant dans le premier échangeur thermique (1) fonctionnant en tant que générateur, une source à chauffer (9) circulant dans le deuxième échangeur thermique (2) fonctionnant en tant qu'absorbeur, une source froide (11) circulant dans le premier échangeur thermique (1) fonctionnant en tant qu'absorbeur, et une deuxième source de chaleur (10) circulant dans le deuxième échangeur thermique (2) fonctionnant en tant que générateur
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Selon un exemple, la première source de chaleur (8) et la deuxième source de chaleur (10) peuvent être identique et être une source de chaleur fatale.
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Selon un exemple, la machine thermodynamique réversible comprend une génératrice associée au compresseur réversible (3) fonctionnant en tant qu'organe de détente pour la production d'électricité.
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L'amont et l'aval, l'entrée, la sortie, en un point donné sont pris en référence au sens de circulation du fluide.
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On entend par un paramètre "sensiblement égal/supérieur/inférieur à" ou "de l'ordre de" une valeur donnée, que ce paramètre est égal/supérieur/inférieur à la valeur donnée, à plus ou moins 10 % près, voire à plus ou moins 5 % près, de cette valeur.
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Aux fins de la présente divulgation, l'expression « A et/ou B » signifie (A), (B) ou (A et B). Aux fins de la présente divulgation, l'expression « A, B et/ou C » signifie (A), (B), (C), (A et B), (A et C), (B et C), ou (A, B et C).
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On entend par connecté fluidiquement ou en connexion fluidique, lorsqu'une ligne assure une connexion par ou dans laquelle circule un fluide.
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Dans la présente description, l'expression « A fluidiquement raccordé à B » est synonyme de « A est en connexion fluidique avec B » et ne signifie pas nécessairement qu'il n'existe pas d'organe entre A et B. Les expressions « agencée sur » ou « sur » sont synonymes de « raccordé fluidiquement à ».
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Ainsi ces expressions s'entendent d'une connexion fluidique entre deux éléments, cette connexion pouvant ou non être directe. Cela signifie qu'il est possible qu'entre un premier élément et un deuxième élément qui sont fluidiquement connectés, un parcours d'un fluide existe par un ou des conduits ou cavités ou canaux, éventuellement un organe supplémentaire. On entend par chaud, froid, refroidi, une température relative par rapport à un autre point du système.
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A l'inverse, le terme « fluidiquement connecté directement » s'entend d'une connexion fluidique directe entre deux éléments. Cela signifie qu'entre un premier élément et un deuxième élément qui sont fluidiquement connectés directement aucun autre élément n'est présent, autre qu'un conduit ou plusieurs conduits.
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Les termes « premier », « deuxième » et « troisième », « additionnel » etc. sont utilisés simplement comme des étiquettes, et ne sont pas destinés à imposer des exigences numériques sur leurs objets.
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L'invention concerne une machine thermodynamique réversible pour la production d'électricité et de chaleur. On entend par machine thermodynamique une machine à absorption.
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Une machine à absorption est un système thermodynamique à « compression » thermique utilisant des couples réfrigérant/sorbant présentant de fortes affinités afin de remplacer la compression de vapeur des machines traditionnelles. Cette solution présente de faibles consommations électriques, l'énergie principale étant issue de la source thermique, permettant de limiter le coût de fonctionnement dans le cas de la valorisation d'une source d'énergie à bas coût tel que le gaz par exemple ou gratuite (tel que l'énergie solaire ou le rejet de chaleur par exemple). De plus, les fluides frigorigènes utilisés dans les dispositifs à absorption ne présentent aucun impact environnemental : ni sur le réchauffement climatique (GWP pour Global warning potential = 0) ni sur la couche d'ozone (ODP pour Ozone depletion potential = 0).
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Ce type de dispositif fonctionne grâce à la faculté de certains liquides d'absorber (réaction exothermique) et de désorber (réaction endothermique) une vapeur. Ils utilisent également le fait que la solubilité de cette vapeur dans le liquide dépende de la température et de la pression. Ainsi, ces dispositifs utilisent comme solution de travail un mélange binaire, dont l'un des composants est plus volatil que l'autre, et constitue le fluide frigorigène.
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La machine thermodynamique selon l'invention comprend l'association de composants issus de machine à absorption et de machine à compression.
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La machine thermodynamique comprend un premier échangeur thermique 1 configuré pour fonctionner alternativement en tant que générateur ou en tant qu'absorbeur et un deuxième échangeur thermique 2 configuré pour fonctionner alternativement en tant qu'absorbeur ou en tant que générateur. Avantageusement, le premier échangeur thermique 1 et le deuxième échangeur thermique 2 jouent respectivement les rôles complémentaires de générateur et d'absorbeur, à savoir par exemple respectivement le rôle de générateur et d'absorbeur ou alternativement d'absorbeur et de générateur.
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La machine thermodynamique comprend également un compresseur réversible 3 configuré pour fonctionner alternativement en tant que compresseur ou en tant qu'expanseur, également dénommé organe de détente.
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Selon l'invention la machine thermodynamique comprend avantageusement un premier réservoir de séparation de phase 6 et un deuxième réservoir de séparation de phase 7.
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La machine thermodynamique comprend avantageusement une pompe à solution 4 et une vanne de détente 5.
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Selon un mode de réalisation non représenté, la machine thermodynamique comprend un économiseur.
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Pour améliorer les performances de la machine d'autres échangeurs secondaires tels qu'un rectifieur ou un sous-refroidisseur peuvent être également intégrés à la machine thermodynamique.
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Selon l'invention, la machine thermodynamique comprend une solution de travail à fluide frigorigène/absorbant comprenant selon une possibilité le couple ammoniac/eau (NH3/H2O). Les concentrations du fluide frigorigène et de l'absorbant dans la solution de travail sont adaptées à la pression et la température de fonctionnement de la machine thermodynamique.
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Ce couple NH3/H2O est utilisable pour des applications de climatisation, mais aussi de réfrigération et de chauffage. Il n'y a pas de cristallisation possible sur les plages de fonctionnement en pression et température. Par contre, pour ce couple, l'écart de pression de vapeur entre l'absorbant et le fluide frigorigène est faible. Il y a donc des traces d'eau emmenées avec la vapeur d'ammoniac en sortie du premier échangeur thermique 1 fonctionnant en tant que générateur ou du deuxième échangeur thermique 2 fonctionnant en tant que générateur.
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Selon l'invention, la machine thermodynamique comprend un premier réservoir de séparation 6 agencé directement en aval du premier échangeur thermique 1 et un deuxième réservoir de séparation 7 agencé directement en aval du deuxième échangeur thermique 2. Selon un mode de réalisation non illustré, la machine thermodynamique peut comprendre un rectifieur agencé en aval d'un ou des deux échangeurs thermiques 1,2.
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La solution de travail est dite riche, car la concentration en fluide frigorigène est plus importante que dans la solution de travail dite pauvre.
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La machine thermodynamique selon l'invention est décrite ci-après et en particulier les connexions fluidiques des différents composants.
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Le système selon l'invention comprend un premier échangeur thermique 1 fonctionnant alternativement en tant que générateur et en tant d'absorbeur.
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Le premier échangeur thermique 1 est raccordé fluidiquement à la vanne de détente 5 par une connexion fluidique I et au premier réservoir de séparation de phase 6 par une connexion fluidique A. Plus précisément, le premier échangeur thermique 1 comprend une entrée connectée fluidement à la sortie de la vanne de détente 5 et une sortie connectée fluidiquement à l'entrée du premier réservoir de séparation de phase 6.
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Le premier échangeur thermique 1 comprend une entrée et une sortie d'une source 8 destinée à assurer l'échange thermique avec la solution de travail circulant dans le premier échangeur thermique 1.
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La source est soit une première source de chaleur 8, lorsque le premier échangeur thermique 1 fonctionne en tant que générateur, ou une source froide 11, lorsque le premier échangeur thermique 1 fonctionne en tant qu'absorbeur.
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Dans le cas où le premier échangeur thermique 1 fonctionne en tant que générateur, correspondant à une première configuration ou mode de réalisation destiné à la production de chaleur avantageusement à haute température, celui-ci est configuré pour vaporiser le fluide frigorigène de la solution de travail par échange thermique avec une première source de chaleur 8. La première source de chaleur 8 est avantageusement une source de chaleur fatale. À titre d'exemple préféré, la première source de chaleur 8 présente une température comprise entre 60°C et 95 °C.
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Dans le cas où le premier échangeur thermique 1 fonctionne en tant qu'absorbeur, correspondant à une deuxième configuration ou mode de réalisation destiné à la production d'électricité, celui-ci est configuré pour mélanger et absorber la vapeur de fluide frigorigène dans la solution pauvre par rejet de chaleur vers une source froide 11 telle que l'air ambiant. À titre d'exemple préféré, la source froide 11 présente une température comprise entre 10°C et 30 ° C.
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Le premier réservoir de séparation de phase 6 est agencé en sortie, c'est-à-dire en aval, du premier échangeur thermique 1.
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Le premier réservoir de séparation de phase 6 est raccordé fluidiquement au premier échangeur thermique 1 par la connexion fluidique A. Plus précisément, l'entrée du premier réservoir de séparation de phase 6 est connectée fluidiquement à la sortie du premier échangeur thermique 1 par la connexion Fluidique A.
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Le premier réservoir de séparation de phase 6 est raccordé fluidiquement à la pompe à solution 4 par une connexion fluidique D. Précisément, une première sortie du premier réservoir de séparation de phase 6 est connectée fluidiquement à l'entrée de la pompe à solution 4 par la connexion fluidique D. Avantageusement, la sortie du premier réservoir de séparation de phase 6 connectée à la pompe à solution 4 est la sortie de la solution de travail en phase liquide.
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Le premier réservoir de séparation de phase 6 est raccordé fluidiquement au compresseur réversible 3 par une connexion fluidique B. Plus précisément, une deuxième sortie du premier réservoir de séparation de phase 6 est connectée fluidiquement à l'entrée du compresseur réversible 3 par la connexion fluidique B. Avantageusement, la deuxième sortie du premier réservoir de séparation de phase 6 connectée au compresseur réversible 3 est la sortie de la solution de travail en phase vapeur.
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Le rôle du premier réservoir de séparation de phase 6 est de séparer la vapeur de fluide frigorigène de la solution pauvre. Cette séparation de phases permet de s'assurer que la vapeur de fluide frigorigène peut être traitée par le compresseur réversible 3 sans risque d'endommagement et que la solution pauvre puisse être traitée efficacement par la pompe à solution 4.
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Cette séparation de phases par le premier réservoir de séparation de phase 6 est mise en œuvre plus particulièrement lorsque le premier échangeur thermique 1 fonctionne en tant que générateur, c'est-à-dire que la machine thermodynamique fonctionne la première configuration, c'est-à-dire suivant le circuit de fluidique de production de chaleur.
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Le compresseur réversible 3 est configuré pour fonctionner alternativement en compresseur actionné par un moteur ou en expanseur, également dénommé organe de détente, actionnant une génératrice.
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Le compresseur réversible 3 est connecté fluidiquement au premier réservoir de séparation 6 et au deuxième échangeur thermique 2. Le compresseur réversible 3 est raccordé fluidiquement au premier un réservoir de séparation 6, plus précisément à une deuxième sortie, par une connexion fluidique B permettant l'entrée du fluide frigorigène à l'état de vapeur dans le compresseur réversible 3.
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Le compresseur réversible 3 est raccordé fluidiquement au deuxième échangeur thermique 2 par une connexion fluidique C, se poursuivant avantageusement en connexion fluidique F. Plus précisément, une sortie du compresseur réversible 3 est raccordée fluidiquement à l'entrée du deuxième échangeur thermique 2
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Le compresseur réversible est raccordé fluidiquement au deuxième réservoir de séparation de phase 7 par une connexion fluidique J. Plus précisément, une entrée du compresseur réversible 3 est raccordée fluidiquement à une sortie du deuxième réservoir de séparation de phase 7 par la connexion fluidique J. Avantageusement, la sortie du deuxième réservoir de séparation de phase 7 permet la circulation de vapeur de fluide frigorigène vers le compresseur réversible 3.
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Selon une possibilité, un économiseur peut être agencé à l'interface des connexions fluidiques H et E de sorte à optimiser les échanges thermiques
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Selon une possibilité préférée, le compresseur réversible 3 est une machine volumétrique avantageusement associée à un moteur ou une génératrice électrique. La machine volumétrique est plus précisément un compresseur volumétrique de type piston, scroll ou vis selon la puissance désirée.
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Selon une possibilité, le compresseur réversible est un compresseur de type turbomachine.
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Selon une possibilité, le compresseur réversible 3 est relié mécaniquement à la pompe à solution 4 de la boucle à solution de sorte à l'alimenter en énergie directement.
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Le compresseur réversible 3 en mode compresseur est alimenté en énergie par un moteur fournissant une puissance PELEC, IN. Dans ce mode, correspondant au premier mode de réalisation ou première configuration destinée à la production de chaleur, le compresseur réversible 3 a pour fonction de comprimer le fluide frigorigène, plus précisément de la vapeur de fluide frigorigène, le traversant de sorte à augmenter sa pression en entrée du deuxième échangeur thermique 2 fonctionnant en tant qu'absorbeur.
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Le compresseur réversible 3 en mode expanseur est relié à une génératrice. Dans ce mode, correspondant au deuxième mode de réalisation ou deuxième configuration destiné à la production d'électricité, le compresseur réversible 3 en mode expanseur a pour fonction de détendre le fluide frigorigène, plus précisément la vapeur de fluide frigorigène, le traversant transformant l'énergie thermique en énergie mécanique. La génératrice permet de transformer l'énergie mécanique récupérée par l'expanseur en électricité en produisant une puissance électrique PELEC, OUT.
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La pompe à solution 4 est raccordée fluidiquement au premier échangeur thermique 1 par une connexion fluidique D et au deuxième échangeur thermique 2 par une connexion fluidique E se poursuivant avantageusement en connexion fluidique F. Plus précisément, une sortie de la pompe à solution 4 est connectée fluidiquement à l'entrée du deuxième échangeur thermique 2. La pompe à solution 4 est destinée à comprimer et augmenter la pression de la solution de travail en phase liquide, soit la solution pauvre dans le cas d'un fonctionnement suivant le circuit fluidique de production de chaleur, soit la solution riche dans le cas d'un fonctionnement suivant le circuit fluidique de production d'électricité.
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Le deuxième échangeur thermique 2 est raccordé fluidiquement au compresseur réversible 3 par la connexion fluidique C se prolongeant en connexion fluidique F, à la pompe à solution 4 pour la connexion fluidique E se prolongeant en connexion fluidique F, et au deuxième réservoir de séparation de phase 7 par à la connexion fluidique G. Plus précisément, le deuxième échangeur thermique 2 comprend une entrée connectée fluidiquement à la sortie du compresseur réversible 3 et à la sortie de la pompe à solution 4 et une sortie connectée fluidiquement à l'entrée du deuxième réservoir de séparation de phases 7.
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Le deuxième échangeur thermique 2 comprend une entrée et une sortie d'une source destinée à assurer l'échange thermique avec la solution de travail circulant dans le deuxième échangeur thermique 2.
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La source est soit une source à chauffer 9 lorsque le deuxième échangeur thermique 2 fonctionne en tant qu'absorbeur, soit une deuxième source de chaleur 10 lorsque le deuxième échangeur thermique 2 fonctionne en tant que générateur.
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Dans le cas où le deuxième échangeur thermique 2 fonctionne en tant qu'absorbeur, celui-ci est configuré pour mélanger et absorber la vapeur de fluide frigorigène dans la solution pauvre par rejet de chaleur vers une source à chauffer 9. À titre d'exemple, la source à chauffer 9 présente une température supérieure à 90 °C et préférentiellement supérieure à 100 °C de sorte à permettre la production de chaleur très haute température, c'est-à-dire supérieure à 100 ° C.
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Dans le cas où le deuxième échangeur thermique 2 fonctionne en tant que générateur, celui-ci est configuré pour vaporiser le fluide frigorigène de la solution de travail par échange thermique avec une deuxième source de chaleur 10. La deuxième source de chaleur 10 est avantageusement une source de chaleur fatale et peut-être identique à la première source de chaleur 8. À titre d'exemple préféré, la deuxième source de chaleur 10 présente une température supérieure à 90°, préférentiellement supérieure à 100° préférentiellement de l'ordre de 120 °C.
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Le deuxième réservoir de séparation de phase 7 est agencé en sortie, c'est-à-dire en aval, du deuxième échangeur thermique 2.
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Le deuxième réservoir de séparation de phase 7 est raccordé fluidiquement au deuxième échangeur thermique 2 par la connexion fluidique G. Plus précisément, l'entrée du deuxième réservoir de séparation de phase 7 est connectée fluidiquement à la sortie du deuxième échangeur thermique 2 par la connexion fluidique G.
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Le deuxième réservoir de séparation de phase 7 est raccordé fluidiquement à la vanne de détente 5 par une connexion fluidique H. Plus précisément, une première sortie du deuxième réservoir de séparation de phase 7 est connectée fluidiquement à l'entrée de la vanne de détente 5 par la connexion fluidique H. Avantageusement, la sortie du deuxième réservoir de séparation de phase 7 connectée à la vanne de détente 5 est la sortie de la solution de travail en phase liquide.
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Le deuxième réservoir de séparation de phase 7 est raccordé fluidiquement au compresseur réversible 3 par une connexion fluidique J. Plus précisément, une deuxième sortie du deuxième réservoir de séparation de phase 7 est connectée fluidiquement à l'entrée du compresseur réversible 3 par la connexion fluidique J. Avantageusement, la deuxième sortie du deuxième réservoir de séparation de phase 7 connectée au compresseur réversible 3 est la sortie de la solution de travail en phase vapeur.
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Le rôle du deuxième réservoir de séparation de phase 7 est de séparer la vapeur de fluide frigorigène de la solution pauvre. Cette séparation de phases permet de s'assurer que la vapeur de fluide frigorigène peut être traitée par le compresseur réversible 3 sans risque d'endommagement et que la solution pauvre puisse être traitée efficacement par la vanne de détente 5.
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Cette séparation de phases par le deuxième réservoir de séparation de phase 7 est mise en œuvre plus particulièrement lorsque le deuxième échangeur thermique 2 fonctionne en tant que générateur, c'est-à-dire que la machine thermodynamique fonctionne suivant le circuit de fluidique de production d'électricité.
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Avantageusement, le système comprend une vanne de détente 5 agencée entre le deuxième réservoir de séparation de phase 7 et le premier échangeur thermique 1. Plus précisément, une entrée de la vanne de détente 5 est connectée fluidiquement à la sortie du deuxième réservoir de séparation de phases 7 par la connexion fluidique H et la sortie de la vanne de détente 5 est connectée fluidiquement à l'entrée du premier échangeur thermique 1 par la connexion fluidique I. La vanne de détente 5 est configurée pour détendre le fluide frigorigène à l'état liquide issu du deuxième réservoir de séparation de phase 7.
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La machine thermodynamique selon l'invention fonctionne selon deux niveaux de température : un niveau de température intermédiaire correspondant à la température de condensation du fluide frigorigène, mais également à celle d'absorption du fluide frigorigène par l'absorbant et un niveau de température élevé correspondant à la température motrice du générateur.
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La machine thermodynamique selon l'invention fonctionne pour une part à haute pression entre la sortie de la pompe 4 et la sortie tu compresseur réversible 3 et l'entrée de la vanne de détente5, et pour une autre part à basse pression entre la sortie de la vanne de détente 5, et l'entrée de la pompe 9 et l'entrée du compresseur réversible 3.
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Ce cycle thermodynamique est réalisable en raison de l'écart de pression de vapeur entre l'absorbant et le fluide frigorigène qui est variable en fonction de la température et de la pression. Cette variabilité permet d'avoir un écart de concentration entre la solution pauvre et la solution riche décrite ci-après.
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La machine thermodynamique selon l'invention comprend un premier circuit fluidique, dit de production de chaleur, configuré pour assurer la connexion fluidique des différents composants de la machine thermodynamique et la circulation de la solution de travail de sorte à assurer la production de chaleur, avantageusement de chaleur très haute température. On entend par chaleur très haute température, une température supérieure à 100 ° C. Le premier circuit fluidique est un circuit fermé destiné à recevoir la solution de travail.
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La machine thermodynamique selon l'invention comprend un deuxième circuit fluidique, dit de production électrique, configuré pour assurer la connexion fluidique des différents composants de la machine thermodynamique et la circulation de la solution de travail de sorte à assurer la production d'électricité. Le deuxième circuit fluidique est un circuit fermé destiné à recevoir la solution de travail.
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Le premier circuit fluidique et le deuxième circuit fluidique sont au moins partiellement communs.
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La machine thermodynamique selon l'invention comprend selon une possibilité, un module de gestion de la circulation de la solution de travail. Le module de gestion est configuré pour définir les conditions de fonctionnement de la machine en fonction des besoins en énergie et des fluctuations des sources.
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Le module de gestion comprend notamment des vannes de réglages et/ou au moins la vanne de détente 5 avantageusement dont l'ouverture est réglable et/ou des moyens de réglages des débits de circulation de la solution de travail et du fluide frigorigène notamment par le contrôle de la vitesse de la pompe à solution 4. La machine thermodynamique comprenant le module de gestion selon l'invention présente l'avantage d'être compacte en ne nécessitant avantageusement que peu de composants supplémentaires tels des vannes, éventuellement des capteurs de températures et de pression, ce qui réduit les coûts et l'encombrement permettant l'intégration de la machine thermodynamique selon l'invention dans le cadre d'application mobile.
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La machine thermodynamique est configurée pour fonctionner alternativement dans au moins deux modes de fonctionnement. La machine thermodynamique est configurée pour prendre alternativement au moins deux configurations.
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La machine thermodynamique produit soit de l'énergie thermique soit de l'énergie électrique. L'énergie thermique est considérée comme une production de chaleur.
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Suivant le premier mode de fonctionnement, correspondant à une première configuration, la machine thermodynamique est configurée pour assurer la circulation de la solution de travail dans le premier circuit fluidique de production de chaleur. Dans cette première configuration, le premier circuit fluidique assure la connexion fluidique des organes ci-dessus détaillés. Le premier circuit fluidique assure la connexion fluidique du premier échangeur thermique 1, fonctionnant avantageusement en tant que générateur vers le premier réservoir de séparation de phase 6. Puis, le premier circuit fluidique assure la connexion fluidique du réservoir de séparation de phase 6 vers le compresseur réversible 3 et la pompe a solution 4 en parallèle. Puis, le premier circuit fluidique assure la connexion fluidique du compresseur réversible 3 et de la pompe à solution 4 en parallèle vers le deuxième échangeur thermique 2 fonctionnant avantageusement en tant qu'absorbeur. Puis, le premier circuit fluidique assure la connexion fluidique du deuxième échangeur thermique 2 fonctionnant avantageusement en tant qu'absorbeur vers le deuxième réservoir de séparation de phases 7. Puis, le premier circuit fluidique assure la connexion fluidique du deuxième réservoir de séparation de phase 7 vers la vanne de détente 5. Puis, le premier circuit fluidique assure la connexion fluidique de la vanne de détente 5 vers le premier échangeur thermique 1 fonctionnant avantageusement en tant que générateur.
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Le fonctionnement du système selon la figure 1 est décrit ci-après. Dans cette première configuration, permettant le fonctionnement selon le premier mode de fonctionnement, la solution de travail circule dans le premier circuit fluidique de production de chaleur, le premier échangeur thermique 1 fonctionne en tant que générateur 1 et le deuxième échangeur thermique 2 fonctionne en tant qu'absorbeur 2.
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Dans ce mode de fonctionnement, la machine thermodynamique fonctionne dans un mode de type pompe à chaleur.
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Le premier échangeur thermique 1 fonctionnant en tant que générateur permet de générer la vapeur du fluide frigorigène, avantageusement l'ammoniac, à basse pression par échange thermique avec une première source de chaleur 8. Le fluide sortant du premier échangeur thermique 1 par la connexion fluidique A est diphasique, des traces d'eau sont emportées avec la vapeur d'ammoniac et l'eau à l'état liquide. Le fluide diphasique formé par des phases liquide et vapeur pénètre dans le premier réservoir de séparation de phase 6 pour être séparé en une phase liquide et une phase vapeur. La phase vapeur, c'est-à-dire la vapeur de fluide frigorigène, en l'espèce l'ammoniac, sort du premier réservoir de séparation de phase 6 par la connexion fluidique B alimentant l'entrée du compresseur réversible 3. La vapeur de fluide frigorigène est comprimée par le compresseur réversible 3 fonctionnant en tant que compresseur. La vapeur de fluide frigorigène ressort du compresseur réversible 3 à une pression supérieure à celle à laquelle elle est rentrée dans le compresseur réversible 3. La vapeur de fluide frigorigène à haute pression en ressort du compresseur réversible 3 par la connexion fluidique C. En parallèle, la phase liquide de la solution de travail, c'est-à-dire la solution pauvre, en l'espèce de l'eau, sort du premier réservoir de séparation de phase 6 par la connexion fluidique D alimentant l'entrée de la pompe à solution 4. La solution pauvre est comprimée par la pompe à solution 4 et ressort de la pompe à solution 4 à une pression supérieure à celle à laquelle elle est rentrée. La solution pauvre à haute pression ressort de la pompe à solution 4 par la connexion fluidique E. La vapeur de fluide frigorigène à haute pression circulant dans la connexion fluidique C et la solution pauvre à haute pression circulant dans la connexion fluidique E sont mélangées soit dans une connexion fluidique F soit directement dans le deuxième échangeur thermique 2 fonctionnant en tant qu'absorbeur. Le deuxième échangeur thermique 2 fonctionnant en tant qu'absorbeur est alimenté par le mélange de la vapeur de fluide frigorigène à haute pression et de la solution pauvre à haute pression, avantageusement par une connexion fluidique F. Dans le deuxième échangeur thermique 2 fonctionnant en tant qu'absorbeur, l'absorption de la vapeur de fluide frigorigène dans la solution pauvre produit une réaction exothermique assurant un rejet de chaleur au profit d'une source à chauffer 9 circulant au sein du deuxième échangeur thermique 2. La solution de travail à haute pression ressort du deuxième échangeur thermique 2 fonctionnant en tant qu'absorbeur par la connexion fluidique G. La connexion fluidique G alimente le deuxième réservoir de séparation de phase 7. Dans ce mode de fonctionnement, le deuxième réservoir de séparation 7 n'a pas besoin d'assurer de séparation de phases, la solution de travail sortant du deuxième échangeur thermique 2 fonctionnant en tant qu'absorbeur est monophasique à l'état liquide. Selon une possibilité, le deuxième réservoir de phase pourrait être évité par une branche de dérivation le contournant. La solution de travail à haute pression traverse le deuxième réservoir de séparation de phase 7, sans changement ni de température, ni de pression, ni d'état et ressort de celui-ci par la connexion fluidique H alimentant la vanne de détente 5. La solution de travail à haute pression ressort de la vanne de détente 5 à une pression inférieure à celle à laquelle elle est rentrée. La solution de travail à basse pression ressort de la vanne de détente 5 par la connexion fluidique qui alimente l'entrée du premier échangeur thermique 1 fonctionnant en tant que générateur. La solution de travail à basse pression peut alors être vaporisée par le générateur, clôturant ainsi un cycle complet du premier circuit fluidique de production de chaleur.
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Suivant le deuxième mode de fonctionnement, correspondant à une deuxième configuration, la machine thermodynamique est configurée pour assurer la circulation de la solution de travail dont le deuxième circuit fluidique de production d'électricité. Dans cette deuxième configuration, le deuxième circuit fluidique assure la connexion fluidique des organes ci-dessus détaillés. Le deuxième circuit fluidique assure la connexion fluidique du premier échangeur thermique 1 fonctionnant en tant qu'absorbeur vers le premier réservoir de séparation de phase 6. Puis, le deuxième circuit fluidique assure la connexion fluidique du premier réservoir de séparation de phase 6 vers la pompe à solution 4. Puis, le deuxième circuit fluidique assure la connexion fluidique de la pompe à solution vers le deuxième échangeur thermique 2 fonctionnant en tant que générateur. Puis, le circuit fluidique assure la connexion fluidique du deuxième échangeur thermique 2 fonctionnant en tant que générateur vers le deuxième réservoir de séparation de phase 7. Puis, le deuxième circuit fluidique assure la connexion fluidique du deuxième réservoir de séparation de phase 7 en parallèle vers le compresseur réversible 3 fonctionnant en tant qu'expandeur et vers la vanne de détente 5. Puis, le deuxième circuit fluidique assure la connexion fluidique du compresseur réversible 3 fonctionnant en tant qu'expandeur vers l'entrée du premier échangeur thermique fonctionnant en tant qu'absorbeur. En parallèle, le deuxième circuit fluidique assure la connexion fluidique de la vanne de détente 5 vers l'entrée du premier échangeur thermique 1 fonctionnant en temps qu'absorbeur.
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Le fonctionnement du système selon la figure 2 et décrit ci-après.
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Dans cette deuxième configuration, permettant le fonctionnement selon le deuxième mode de fonctionnement, la solution de travail circule dans le deuxième circuit fluidique de production d'électricité, le premier échangeur thermique 1 fonctionne en tant que générateur et le deuxième échangeur thermique 2 fonctionne en tant qu'absorbeur.
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Le deuxième échangeur thermique 2 fonctionne en tant que générateur permet de générer la vapeur du fluide frigorigène, avantageusement l'ammoniac à haute pression par échange thermique avec une deuxième source de chaleur 10. Le fluide sortant du deuxième échangeur thermique 1 par la connexion fluidique G est diphasique, des traces d'eau sont emportées avec la vapeur d'ammoniac et de l'eau à l'état liquide. Le fluide diphasique formé par les phases liquide et vapeur pénètre dans le deuxième réservoir de séparation de phases 7 pour être séparé en une phase liquide et une phase vapeur. La phase vapeur, c'est-à-dire la vapeur de fluide frigorigène, en l'espèce l'ammoniac, sort du deuxième réservoir de séparation de phase 7 par la connexion fluidique J alimentant l'entrée du compresseur réversible 3 fonctionnant en tant qu'expanseur. La vapeur de fluide frigorigène est détendue par le compresseur réversible 3 fonctionnant en tant qu'expanseur connecté à une génératrice assurant ainsi la production d'électricité. La vapeur de fluide frigorigène ressort du compresseur réversible 3 à une pression inférieure à celle à laquelle elle est rentrée dans le compresseur réversible 3. La vapeur de fluide frigorigène à basse pression ressort du compresseur réversible 3 par la connexion fluidique K. En parallèle, la phase liquide de la solution de travail c'est-à-dire la solution pauvre en l'espèce de l'eau, sort du deuxième réservoir de séparation de phase 7 par la connexion fluidique H alimentant l'entrée de la vanne de détente 5. La solution pauvre est détendue par la vanne de détente 5 et ressort de la vanne de détente 5 à une pression inférieure à celle à laquelle elle est rentrée. La solution pauvre à basse pression ressort de la vanne de détente 5 par la connexion fluidique I. La vapeur de fluide frigorigène à base pression circulant dans la connexion fluidique K et la solution pauvre à basse pression circulant dans la connexion fluidique I qui sont mélangées soit dans une connexion fluidique L soit directement dans le premier échangeur thermique 1 fonctionnant en tant qu'absorbeur. Le premier échangeur thermique 1 fonctionnant en tant qu'absorbeur est alimenté par le mélange de la vapeur de fluide frigorigène à basse pression et de la solution pauvre basse pression, avantageusement par une connexion fluidique L. Dans le premier échangeur thermique 1 fonctionnant en tant qu'absorbeur, l'absorption de la vapeur de fluide frigorigène dans la solution pauvre produit une réaction exothermique assurant en rejet de chaleur au profit d'une source froide 11 circulant au sein du premier échangeur thermique 1. La solution de travail à basse pression ressort du premier échangeur thermique fonctionnant en tant qu'absorbeur par la connexion fluidique A. La connexion fluidique A alimente le premier réservoir de séparation de phase 6. Dans ce mode de fonctionnement, le premier réservoir de séparation de phase 6 n'a pas besoin d'assurer de séparation de phase, la solution de travail sortant du premier échangeur thermique 2 fonctionnant en temps qu'absorbeur est monophasique à l'état liquide. Selon une possibilité, le premier réservoir de phase 6 pourrait être évité par une branche de dérivation le contournant. [La solution de travail à basse pression traverse le premier réservoir de séparation de phase 6, sans changement ni de température ni de pression, ni d'état et ressort de celui-ci par la connexion fluidique D alimentant la pompe à solution 4. La solution de travail à basse pression ressort de la pompe à solution 4 à une pression supérieure à celle à laquelle elle est rentrée. La solution de travail à haute pression ressort de la pompe à solution 4 par la connexion fluidique E alimentant l'entrée du deuxième échangeur thermique 2 fonctionnant en tant que générateur. La solution de travail à haute pression peut alors être vaporisée par le générateur clôturant ainsi un cycle complet du circuit fluidique de production d'électricité.
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Dans le premier mode de fonctionnement, la demande de production de chaleur peut être vérifiée par le module de gestion en fonction d'une commande binaire c'est-à-dire valeur de production de chaleur non nulle signifiant une demande de production de chaleur et une valeur de production de chaleur nulle signifiant une absence de demande de production de chaleur.
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Dans le cas d'une demande de production de chaleur, avantageusement haute température par exemple supérieure à 100 °C, notamment à partir d'une source de chaleur fatale à la température par exemple comprise entre 70 °C et 95 °C pouvant être fluctuante, le module de gestion de la circulation de la solution de travail va définir une circulation de la solution de travail de type pompe à chaleur tel qu'illustrée en figure 1.
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Dans le deuxième mode de fonctionnement, la demande de production d'électricité peut être vérifiée par le module de gestion en fonction d'une commande binaire c'est-à-dire valeur de production d'électricité non nulle signifiant une demande de production d'électricité et une valeur de production d'électricité nulle signifiant une absence de demande de production d'électricité.
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Dans le cas d'une demande de production d'électricité, notamment à partir d'une source de chaleur telle que la chaleur fatale par exemple comprise entre 70 °C et 150 °C pouvant être fluctuante, le module de gestion de la circulation de la solution de travail va définir une circulation de la solution de travail tel qu'illustrée en figure 2. Le cycle de circulation de la solution de travail s'apparente à un cycle de Rankine, plus spécifiquement à un cycle de Kalina.
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Selon une possibilité, le module de gestion est avantageusement configuré pour basculer la machine thermodynamique d'une première configuration à la deuxième configuration et inversement en fonction de critères économiques. Par exemple, quand l'électricité coute peu cher, la machine thermodynamique est dans la première configuration de production de chaleur, mode pompe à chaleur, et quand l'électricité coute cher, machine thermodynamique et dont la deuxième configuration de production d'électricité.
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Selon un mode de réalisation, le système comprend au moins un module de stockage d'électricité associé à au compresseur réversible 3 et plus spécifiquement à la génératrice électrique associer au compresseur réversible 3. Le stockage d'électricité permet ainsi un stockage d'énergie lorsque la source et le besoin ne sont pas concomitants. À titre d'exemple, des batteries électriques sont prévues.
Exemple 1 :
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Un exemple de configuration détaillée est fourni ci-après.
Première configuration - premier mode de réalisation - circuit fluidique de production de chaleur - Mode de pompe à chaleur (
Figure 1)
| Composant | Configuration type |
| Générateur : | Température d'entrée : 75°C |
| Absorbeur : | Température de chaleur visée en sortie de l'absorbeur : 120°C |
| Pompe : | Débit : 340 kg/h, Rendement : 80 % |
| Compresseur réversible : | Ratio de compression : 3.75, Pression haute : 32 bar, Pression basse :8.5 bars |
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En appliquant les hypothèses suivantes :
- Pincement de température avec les sources externes au sein des échangeurs ΔT_pinch=5°C
- Efficacité du ou des échangeurs internes : η_ech=0, 8
- Rendement global des pompes/compresseur : η_conversion=η_elec*η_meca=0, 9*0,8
- Rendement isentropique du compresseur : η_compr=0, 8
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Nous obtenons :
- La puissance thermique produite à l'absorbeur : 130 kW
- La puissance thermique à fournir au générateur : 89 kW
- La consommation électrique du compresseur : 41 kW
- La consommation électrique de la pompe : 2.6 kW
- Le coefficient de performance électrique : COPelec = 3.15
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Deuxième configuration - deuxième mode de réalisation - circuit fluidique de production d'électricité- (Figure 2)
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Un exemple de configuration détaillée est fourni ci-après.
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Première configuration - premier mode de réalisation - circuit fluidique de production de chaleur - Mode de pompe à chaleur (
Figure 1)
| Composant | Configuration type |
| Générateur : | Température d'entrée : 100°C |
| Absorbeur : | Température De refroidissement : 25°C |
| Pompe : | Débit : 2500 kg/h, Rendement : 80 % |
| Organe de détente | : Rendement isentropique : 73% |
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Par un calcul d'ordre de grandeur, les résultats suivants sont obtenus :
- La puissance thermique à fournir au générateur : 310 kW
- La puissance thermique du refroidissement à l'absorbeur : 297 kW
- La puissance mécanique produite par l'organe de détente est de l'ordre de 10 kW pour un rendement exégétique de 23%.
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L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations précédemment décrits et s'étend à tous les modes de réalisation couverts par l'invention.
LISTE DES REFERENCES
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- 1. Premier échangeur thermique
- 2. deuxième échangeur thermique
- 3. Compresseur réversible
- 4. Pompe à solution
- 5. Vanne de détente
- 6. Premier réservoir de séparation
- 7. deuxième réservoir de séparation
- 8. Première source de chaleur
- 9. Source à chauffer
- 10. deuxième source de chaleur
- 11. Source froide
- A. Connexion fluidique entre la sortie du premier échangeur thermique 1 et l'entrée du premier réservoir de séparation 6
- B. Connexion fluidique entre la sortie de vapeur du premier réservoir de séparation 6 et l'entrée dans le compresseur réversible 3
- C. Connexion fluidique entre la sortie de vapeur haute pression du compresseur réversible 3 et la connexion fluidique d'entrée du deuxième échangeur thermique 2
- D. Connexion fluidique entre la sortie 2 solutions pauvres du premier réservoir de séparation 6 et l'entrée de la pompe à solution 4
- E. Connexion fluidique entre la sortie de la solution pauvre pas de pression de la pompe à solution 4 et la connexion fluidique d'entrée du deuxième échangeur thermique 2
- F. Connexion fluidique d'entrée du deuxième échangeur thermique 2
- G. Connexion fluidique entre la sortie du deuxième échangeur thermique et le deuxième réservoir de séparation 7
- H. Connexion fluidique entre la sortie de solutions riche du deuxième réservoir de séparation 7 et l'entrée de la vanne de détente 5
- I. Connexion fluidique entre la sortie de la vanne de détente 5 et l'entrée du premier échangeur thermique 1
- J. Connexion fluidique entre la sortie de vapeur Rich haute pression du deuxième réservoir de séparation 7 et l'entrée du compresseur réversible en tant qu'organe de détente 3
- K. Connexion physique entre la sortie du compresseur réversible en tant qu'organe de détente 3 et la connexion fluidique I connecter à l'entrée du premier échangeur thermique 1.