FR2499149A1

FR2499149A1 - Converting fluid sensible heat into mechanical energy - using mixt. of tri:chloro:mono:fluoro:methane and di:chloro:di:fluoro:methane as auxiliary fluid agent

Info

Publication number: FR2499149A1
Application number: FR8201465A
Authority: FR
Inventors: Martin Streich
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1981-02-05
Filing date: 1982-01-29
Publication date: 1982-08-06

Abstract

In a process for converting the sensible heat of a fluid into mechanical energy by subjecting the fluid to heat exchange with an auxiliary fluid agent (I) circulating in a closed circuit, (I) being vapourised, then relaxed, condensed and then brought to a higher pressure, the improvement is that (I) is a mixt. of at least 2 components, specifically trichloromonofluoromethane and dichlorodifluoromethane. The process is used for converting thermal energy into mechanical or electrical energy partic. by means of the 'Clausius-Ranbine' cycle. Use of the mixt. allows the cost of removal of the heat of condensation to be reduced without impairing output.

Description

PROCEDE DE TRANSFORMATION D'ENERGIE THERMIQUE
EN ENERGIE MECANIQUE
L'invention concerne un procédé pour transformer la chaleur sensible d'un fluide énergétique en énergie mécanique, dans lequel le fluide subit un échange de chaleur avec un agent auxiliaire fluide circulant dans un circuit fermé, cet agent auxiliaire étant vaporisé, détendu, condensé puis porté à une pression supérieure.THERMAL ENERGY TRANSFORMATION PROCESS
IN MECHANICAL ENERGY
The invention relates to a method for transforming the sensible heat of an energetic fluid into mechanical energy, in which the fluid undergoes a heat exchange with a fluid auxiliary agent circulating in a closed circuit, this auxiliary agent being vaporized, expanded, condensed and then brought to higher pressure.

il est déjà connu de transformer de l'énergie thermique en énergie mécanique ou électrique au moyen d'un cycle du genre defini ci-dessus, no tamnent au moyen du cycle dit "Clausius-Rankine". On utilise habituellement comme agent auxiliaire un hydrocarbure halogéné pur qui est vaporisé au cours de l'échange de chaleur avec le fluide. Etant donné que la chaleur sensible est fournie de façon variable dans les limites d'un intervalle de température mais qu'elle n'est absorbe que de façon isotherme par l'agent auxiliaire dont la vaporisation se produit à une température constante, il est impossible d'éviter des pertes d'exergue au cours de l'échange de chaleur entre le fluide et l'agent auxiliaire. La chaleur de condensation se présente également de façon isotherme dans le cas d'un agent auxiliaire simple ou pur.En conséquence, pour pouvoir transformer de la chaleur sensible en énergie mécanique avec un rendement optimum, il est essentiel, dans le cycle de Clausius-Rankine connu que la chaleur de condensation dégagée lors de la condensation de l'agent auxiliaire soit absorbée a une température aussi basse que possible par un réfrigérant, par exemple par de l'eau, c'est-à-dire avec un écart faible. Ceci nécessite des quantités de réfrigerant considérables. Dans certaines conditions, lors de la transformation de chaleur sensible en énergie électrique, on doit dissiper par unité de temps une quantité de chaleur de condensation égale à 12 fois la quantité d'énergie électrique fournie. it is already known to transform thermal energy into mechanical or electrical energy by means of a cycle of the kind defined above, no tamnent by means of the so-called "Clausius-Rankine" cycle. A pure halogenated hydrocarbon is usually used as an auxiliary agent which is vaporized during the heat exchange with the fluid. Since the sensible heat is supplied in a variable manner within the limits of a temperature range but it is only absorbed in an isothermal manner by the auxiliary agent whose vaporization occurs at a constant temperature, it is impossible to avoid losses of evidence during the heat exchange between the fluid and the auxiliary agent. The heat of condensation is also isothermally present in the case of a simple or pure auxiliary agent. Consequently, in order to be able to transform sensible heat into mechanical energy with optimum efficiency, it is essential, in the Clausius cycle- Rankine known that the heat of condensation released during the condensation of the auxiliary agent is absorbed at a temperature as low as possible by a refrigerant, for example by water, that is to say with a small difference. This requires considerable amounts of refrigerant. Under certain conditions, during the transformation of sensible heat into electrical energy, one must dissipate per unit of time an amount of condensing heat equal to 12 times the amount of electrical energy supplied.

Cette grande quantité de chaleur perdue, par unité de courant électrique produit, conduit à des couts extrêmement élevés pour le réfrigérant. This large amount of waste heat, per unit of electric current produced, leads to extremely high costs for the refrigerant.

Ce procédé n'est donc pas optimal du point de vue thermodynamique, tout
en impliquant des coûts élevés pour l'évacuation de la chaleur de conden
sation.This process is therefore not optimal from the thermodynamic point of view, all
by involving high costs for the evacuation of the heat of conden
station.

L'invention a donc pour but de créer un procéde du genre défini cidessus avec lequel les coûts d'évacuation de la chaleur de condensation
puissent être réduits sans que le rendement du procédé ne soit détérioré. The object of the invention is therefore to create a process of the kind defined above with which the costs of removing the heat of condensation
can be reduced without the process yield being deteriorated.

Suivant l'invention, ce problème est resolu par le fait que l'agent auxiliaire circulant en circuit fermé, est compose d'un mélange d'au moins
deux composants.According to the invention, this problem is solved by the fact that the auxiliary agent circulating in a closed circuit, is composed of a mixture of at least
two components.

Jusqu'à présent, on utilisait un agent auxiliaire qui, comme tous
les éléments et composés chimiques, possède pour une pression donnée une température d'ébullition nettement déterminée, ou un point d'ébullition précis. Au contraire, suivant l'invention, on utilise des mélanges de deux
(ou plus de deux) composants d'agent auxiliaire qui ne possèdent pas un point d'ébullition précis, mais une cerbalne phase d::ébullition entre des
limites d'ébullition déterminées, c'est-à-dire dans les limites d'un cer tain intervalle d'ébullition. A la différence du procédé antérieur, ,a chaleur sensible qui est fournie n'est pas absorbe de façon isotherme par
un agent auxiliaire à une température constante, avec une grande perte d'exerUieo Au contraire, la chaleur sensible est absorbée egalement de fa- çon variable par i 'agent auxliaire. Par- un choix approprié des proportions des différents compos?lnts de -l 'agent auxiliaire, du nombre de ces composants, ainsi que des niveaux de pression utilises dans le processus Clausius
Rankine, on peut adapter de façon optimale l'allure de la courbe de temps
rature de l'agent auxiliaire qui absorbe la chaleur à celle du fluide fournissant la chaleur, et l'on peut réduire ainsi les pertes d'exergie.Until now, we used an auxiliary agent which, like all
chemical elements and compounds, has for a given pressure a clearly determined boiling point, or a precise boiling point. On the contrary, according to the invention, mixtures of two are used
(or more than two) components of auxiliary agent which do not have a precise boiling point, but a certain phase of boiling between
determined boiling limits, that is to say within the limits of a certain boiling range. Unlike the previous process, the sensible heat which is supplied is not isothermally absorbed by
an auxiliary agent at a constant temperature, with a great loss of exercise. On the contrary, the sensible heat is also absorbed in a variable manner by the auxiliary agent. By an appropriate choice of the proportions of the different components of the auxiliary agent, the number of these components, as well as the pressure levels used in the Clausius process
Rankine, we can optimally adapt the shape of the time curve
erase the auxiliary agent which absorbs heat to that of the heat supplying fluid, and this can reduce losses of exergy.

Apres vaporisation, l'agent auxiliaire est détendu et ensuite conden
se en subissant un change de chaleur avec le réfrigérant. La limite supé
rieure de la température de condensation de l'agent auxiliaire, constituée
par au moins deux composants, est alors, pour une température de réfrigé-
rant donnée, supérieure à la température de condensation d'un agent auxi
liaire à un seul composant. En revanche, du côté émission de chaleur du
processus de Clausius-Rankine, on doit accepter des pertes d'exergie. After spraying, the auxiliary agent is relaxed and then conden
by undergoing a heat change with the refrigerant. The upper limit
lower the condensing temperature of the auxiliary agent, consisting
by at least two components, is then, for a refrigeration temperature
rant given, higher than the condensation temperature of an auxiliary agent
linked to a single component. On the other hand, on the heat emission side of the
Clausius-Rankine process, one must accept exergy losses.

Toutefois, en quantité, ces pertes sont plus petites que la quantité d' exergie qui est gagnée du côté réception de chaleur du processus suivant
l'invention, de sorte que le rendement du procédé suivant l'invention est
amélioré. Par ailleurs, un grand avantage consiste en ce que la consomma
tion de réfrigérant peut être considérablement abaissée. Selon la plage
(ou fourchette) de température du réfrigérant, qui semblait encore accep table dans les processus Clausius-Rankine antérieurs, on peut réduire à 1/2 OU y3 la consommation de réfrigérant et, de cette façon, également le coût du réfrigérant utilisé.However, in quantity, these losses are smaller than the quantity of exergy which is gained on the heat receiving side of the following process.
the invention, so that the yield of the process according to the invention is
improved. Furthermore, a great advantage is that the consumption
tion of refrigerant can be lowered considerably. According to the beach
(or range) of refrigerant temperature, which still seemed acceptable in previous Clausius-Rankine processes, the consumption of refrigerant and thus the cost of the refrigerant used can be reduced to 1/2 OR y3.

En principe, on peut utiliser comme agent auxiliaire tous les hydrocarbures halogénés (fluides frigorigènes) ainsi que les hydrocarbures à bas poids moléculaire. Toutefois, un melange binaire de trichloromonofluorométhane et de dichlorodifluorométhane, dans des proportions d'environ 30-70/70-30% en poids s'est révélé particulièrement bien approprié. In principle, all halogenated hydrocarbons (refrigerants) as well as low molecular weight hydrocarbons can be used as an auxiliary agent. However, a binary mixture of trichloromonofluoromethane and dichlorodifluoromethane, in proportions of about 30-70 / 70-30% by weight has been found to be particularly suitable.

Le procédé suivant l'invention peut être appliqué avec avantage lorsqu'on a à exploiter, comme chaleur sensible à transformer, de la chaleur perdue à basse température. Le procédé est particulièrement bien approprie pour transformer en energie mécanique de la chaleur perdue qui est offerte a un niveau de température inférieur à environ i50 C. The process according to the invention can be applied with advantage when it is necessary to use, as sensible heat to be transformed, waste heat at low temperature. The process is particularly well suited for converting waste heat, which is offered at a temperature level below about 150 C., into mechanical energy.

D'autres buts et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui va suivre et donnee en regard des dessins annexés, sur lesquels:
- la Fig. 1 est un schéma d'un système de Clausius-Rankine;
- les Fig. 2 et 3 sont respectivement deux diagrammes représentant
la quantité de chaleur en fonction de la température pour un pro
cessus de Clausius-Rankine utilisant un agent auxiliaire à un
composant et à deux composants respectivement.Other objects and advantages of the invention will appear on reading the description which follows and which is given with reference to the appended drawings, in which:
- Fig. 1 is a diagram of a Clausius-Rankine system;
- Figs. 2 and 3 are respectively two diagrams representing
the amount of heat as a function of temperature for a pro
cessation of Clausius-Rankine using an auxiliary agent to a
component and two component respectively.

Suivant la Fig. 1, de l'eau à une température de 90,6"C pénètre par une conduite 1 dans un echangeur de chaleur 2 qu'elle quitte à une température de 54"C. L'échangeur de chaleur 2 fait partie d'un circuit dans lequel une turbine à détente 4, un condenseur 5 et une pompe 5 sont raccordés à l'échangeur de chaleur 2, dans cet ordre, dans le sens de la circulation de l'agent auxiliaire. L'eau circulant dans la conduite 1 se refroidit dans l'échangeur de chaleur 2 en échangeant sa chaleur avec l'agent auxiliaire. Dans cet exemple de réalisation, l'agent auxiliaire est composé de
CFCl3 et de CF2Cl2. Cet agent auxiliaire composé s'échauffe dans l'échangeur de chaleur 2 pour passer d'un niveau à peu près égal à la température ambiante à un niveau de 80"C, par exemple, en se vaporisant. il est transmis à la turbine 4 a une température située au voisinage du point de rosée et est détendu de 9 bars à 3 bars. L'agent auxiliaire composé pénètre, à une température proche de son point de rosée, dans un condenseur 5 dans lequel il est refroidi pour être ramené à la température ambiante. La chaleur de condensation est évacuée par de l'eau de refroidissement qui, dans cette étape, s'échauffe, par exemple de-180C. L'agent auxiliaire con densé est à nouveau porté à une pression élevée (9 bars) et renvoyé à nouveau à l'échangeur de chaleur 2.A la différence des procédés antérieurs comportant une condensation isotherme et dans lesquels, avec une élévation de température de l'eau de refroidissement de seulement 6"C, un débit d'eau de refroidissement de 66 000 t/h serait nécessaire, le procédé suivant l'invention n'exige que 21 920 t/h d'eau de refroidissement, c'est-à-dire moins d'un tiers.According to FIG. 1, water at a temperature of 90.6 "C enters via a pipe 1 into a heat exchanger 2 which it leaves at a temperature of 54" C. The heat exchanger 2 is part of a circuit in which an expansion turbine 4, a condenser 5 and a pump 5 are connected to the heat exchanger 2, in this order, in the direction of circulation of the auxiliary agent. The water circulating in the pipe 1 cools in the heat exchanger 2 by exchanging its heat with the auxiliary agent. In this exemplary embodiment, the auxiliary agent is composed of
CFCl3 and CF2Cl2. This compound auxiliary agent heats up in the heat exchanger 2 to pass from a level roughly equal to the ambient temperature to a level of 80 "C, for example, by vaporizing. It is transmitted to the turbine 4 has a temperature located near the dew point and is expanded from 9 bars to 3 bars. The compound auxiliary agent enters, at a temperature close to its dew point, into a condenser 5 in which it is cooled to be brought back to the ambient temperature. The heat of condensation is evacuated by cooling water which, in this stage, heats up, for example by-180 C. The condensed auxiliary agent is again brought to a high pressure (9 bars ) and returned again to the heat exchanger 2. Unlike the previous methods comprising isothermal condensation and in which, with a rise in temperature of the cooling water of only 6 "C, a water flow of cooling of 66,000 t / h would be necessary, the process followed ant the invention requires only 21,920 t / h of cooling water, that is to say less than a third.

Sur la Fig. 2, on a représenté schématiquement un diagramme Q - T d'un processus Clausius-Rankine. La courbe 8 represente la variation de la chaleur du fluide dont il s'agit de transformer la chaleur sensible en energie mécanique et 7a courbe 9 la variation de la quantite de chaleur contenue dans l'eau de refroidissement qui circule dans le condenseur 5. Les courbes 10 et 11 représentent respectivement les variations de la quantite de chaleur contenue dans 1 'agent auxiliaire compose lors du dégagement et de l'absorption de chaleur pour les températures constantes de condensation et de vaporisation.L'allure de ces profils de températures est caractérisee, d'une part, par de grandes différences de température sur le côté source de chaleur du processus de Clausius-Rankine et, d'autre part, par de faibles différences de température sur le côté puits de chaleur. Cette bonne adaptation des profils de température sur le coté puits de chaleur ne peut toutefois être atteinte qu'avec une plage étroite de temperature du refrigérant (6"C dans le present exemple de réalisation où de l'eau est utilise comme refrigérant). Ainsi qu'on l'a déjà indiqué, cette manière de procéder nécessite une grande quantité de réfrigérant par unité de temps. In Fig. 2, a Q - T diagram of a Clausius-Rankine process has been represented diagrammatically. Curve 8 represents the variation of the heat of the fluid whose sensible heat is to be transformed into mechanical energy and 7a curve 9 the variation of the quantity of heat contained in the cooling water which circulates in the condenser 5. The curves 10 and 11 respectively represent the variations in the quantity of heat contained in the auxiliary agent composed during the generation and absorption of heat for the constant temperatures of condensation and vaporization. The appearance of these temperature profiles is characterized on the one hand by large temperature differences on the heat source side of the Clausius-Rankine process and on the other hand by small temperature differences on the heat sink side. This good adaptation of the temperature profiles on the heat sink side can however only be achieved with a narrow temperature range of the refrigerant (6 "C in the present embodiment where water is used as the refrigerant). as already indicated, this procedure requires a large amount of refrigerant per unit of time.

La Fig. 3 montre, dans un diagramme Q - T, les profils de température obtenus lors de la mise en oeuvre du procédé suivant l'inventionS tel que decrit en référence au présent exemple de réalisation. Le fluide dont il s'agit de transformer la chaleur en énergie thermique pénètre à une température de 90,60C (point a) dans l'échangeur de chaleur 2 et il est refroidi à 54"C (point b) par échange de chaleur avec l'agent auxiliaire composé (courbe 9).A la différence du procedé suivant la Fig. 2, le profil de température de l'agent auxiliaire composé qui, se trouvant sous une pression de 9 bars et s'échauffant pour passer d'une température approximativement égale à la température ambiante (point c) à environ 80"C et se vaporisant en même temps pendant l'échange de chaleur (points d et e) (courbe 7) est bien adapté au profil de température du fluide-puisque, pendant toute la durée de l'échange de chaleur, les différences de tempe rature sont faibles. Après la fin de l'échange de chaleur, l'agent auxiliaire composé est totalement vaporisé et possède une température d'environ 80"C (point e). L'agent auxiliaire composé est détendu à 3 bars (point f).Il est ensuite condensé conne indiqué par la courbe 13 et refroidi d'une température proche du point de rosée (point f) à la température ambiante (point c). Ce profil de température (courbe 13) est lui aussi bien adapté au profil correspondant de l'eau de refroidissement (courbe 12) qui reçoit la chaleur de condensation et la chaleur sensible de l'agent auxiliaire compose. On peut avantageusement accepter une fourchette de température beaucoup plus large sans que ceci entraîne une baisse du rendement. L'eau s'échauffe d'environ 18"C (points g et h) dans l'échangeur de chaleur 5. Fig. 3 shows, in a Q - T diagram, the temperature profiles obtained during the implementation of the method according to the invention as described with reference to the present exemplary embodiment. The fluid whose heat it is a question of transforming into thermal energy penetrates at a temperature of 90.60C (point a) in the heat exchanger 2 and it is cooled to 54 "C (point b) by heat exchange with the compound auxiliary agent (curve 9). Unlike the process according to Fig. 2, the temperature profile of the compound auxiliary agent which, being under a pressure of 9 bars and heating to pass from a temperature approximately equal to room temperature (point c) at around 80 "C and vaporizing at the same time during heat exchange (points d and e) (curve 7) is well suited to the temperature profile of the fluid-since, throughout the heat exchange, the temperature differences are small. After the end of the heat exchange, the compound auxiliary agent is completely vaporized and has a temperature of about 80 "C (point e). The compound auxiliary agent is expanded to 3 bars (point f). then condensed conne indicated by curve 13 and cooled from a temperature close to the dew point (point f) to room temperature (point c). This temperature profile (curve 13) is also well suited to the corresponding profile of l The cooling water (curve 12) which receives the condensing heat and the sensible heat from the compound auxiliary agent. It is advantageous to accept a much wider temperature range without this resulting in a reduction in the yield. heats up to around 18 "C (points g and h) in the heat exchanger 5.

En resumé, on peut constater que, par le procédé suivant l'invention, on perd certes de ltexergie sur le côté puits de chaleur mais que cette perte est plus que compensée par le gain sur le côté source de chaleur et que la consommation de réfrigérant peut être considérablement reduite comparativement aux procédes traditionnels. In summary, it can be seen that, by the process according to the invention, energy is certainly lost on the heat sink side but that this loss is more than compensated by the gain on the heat source side and that the consumption of refrigerant can be significantly reduced compared to traditional procedures.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés et elle est susceptible de nombreuses variantes accessibles a l'homme de l'art, sans que l'on ne s'écarte'de l'esprit de l'invention. Of course, the invention is not limited to the embodiments described and shown and it is capable of numerous variants accessible to those skilled in the art, without departing from the spirit of the invention.

Claims

REVENDI CATIONS

1.- Process for converting the sensible heat of a fluid into mechanical energy, in which the fluid is heat exchanged with a fluid auxiliary agent circulating in a closed circuit, this auxiliary agent being vaporized, then expanded, condensed , then brought to a higher pressure, process characterized in that the aforementioned auxiliary agent consists of a mixture of at least two components.

2.- Method according to claim 1, characterized in that an auxiliary agent is used a mixture of trichloromonofluoromethane and dichlorodifluoromethane.

3.- Method according to claim 2, characterized in that the mixture is composed of 30 to 70% by weight of trichloromonofluoromethane and 70 to 30% by weight of dichlorodifluoromethane.

4.- Application of the method according to one of claims 1 to 3, the exploitation of waste heat at low temperature which is available at a temperature level below about 150 C.