FR2556084A1 - Installation and method for storing energy by using the changes of state of a fluid - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention est relative à une instal- lation et un procédé de stockage et restitution d'énergie u- utilisant les changements d'état d'un fluide, et plus spécia- lement destinés à accumuler la chaleur provenant d'un fluide d'échappement à pression et température variables, notamment décroissantes pour la restituer ensuite i pression et tempé- rature variables, notamment croissantes
Divers systèmes pour accumuler l'énergie existent, opérant notamment en condensant la vapeur d'eau dans l'eau ou en condensant un fluide gazeux dans un échangeur de chaleur.The present invention relates to an installation and a method for storing and restoring energy using the changes of state of a fluid, and more specifically intended to accumulate the heat coming from a fluid. exhaust at variable pressure and temperature, in particular decreasing, then returning it to variable pressure and temperature, in particular increasing
Various systems for accumulating energy exist, operating in particular by condensing water vapor in water or by condensing a gaseous fluid in a heat exchanger.
La pression et la température du fluide générateur diminuent tandis que la pression et la température du récepteur augmentent pour arriver a un équilibre. Lors de la restitution de l'énergie avec de tels principes, le récepteur devient géné- rateur et fournit une vapeur à pression et température toujours descendantes jusqu'à un point d'équilibre des pressions entre générateur et circuit récepteur.The pressure and temperature of the generating fluid decrease while the pressure and temperature of the receiver increase to achieve equilibrium. When restoring energy with such principles, the receiver becomes generator and provides steam at pressure and temperature always falling to a point of pressure equilibrium between generator and receiver circuit.
La présente invention a pour but de fournir un procédé capable d'augmenter considérablement le pouvoir de récupération et inversement, le pouvoir de réutilisation d'un fluide gazeux. The present invention aims to provide a process capable of considerably increasing the recovery power and conversely, the reuse power of a gaseous fluid.
La présente invention fournit donc une installation de stockage d'énergie utilisant le passage d'un fluide de l'état gazeux à l'état liquide et vice versa qui présente pour particularité qu'elle comprend en combinaison
- un ensemble d'enceintes de stockage, disposes en série et capables de contenir chacune une certaine quanti- té de fluide à l'état liquide, à une pression sensiblement la meme pour toutes les enceintes de stockage mais i des tem- pératures différentes,
- un condenseur dans lequel on peut introduire le- dit fluide provenant des enceintes de stockage en même temps qu'une quantité du meme fluide à l'état gazeux provenant d l'extérieur de l'installation,
- un évaporateur dans lequel on peut simultanément introduire ledit fluide provenant des enceintes de stockage et extraire une quantitJ du mcme fluide à l'état gazeux pour la diriger vers l'extérieur de l'installation,
- des premiers moyens pour faire circuler le fluide à l'état liquide en un premierclrcuitfermé comprenantlecondenseur et l'ensemble d'enceintes de stockage,
- des seconds moyens pour faire circuler le fluide à l'état liquide en un second circuit fermé, comprenant l'é- vaporateur et l'ensemble d'éléments de stockage
L'ensemble d'enceintes de stockage peut être cons titué d'une série de récipients indépendants, de préférence calorifugés séparément et reliés par des conduits reliant la partie haute d'un récipient à la partie basse du récipient voisin de façon à limiter au maximum galisation des températures.The present invention therefore provides an energy storage installation using the passage of a fluid from the gaseous state to the liquid state and vice versa which has the particularity that it comprises in combination
a set of storage chambers, arranged in series and each capable of containing a certain quantity of fluid in the liquid state, at a pressure substantially the same for all the storage chambers but at different temperatures,
a condenser into which the said fluid can be introduced coming from the storage enclosures at the same time as a quantity of the same fluid in the gaseous state coming from outside the installation,
an evaporator into which it is possible to simultaneously introduce said fluid coming from the storage enclosures and extract a quantity of the same fluid in the gaseous state in order to direct it towards the outside of the installation,
first means for circulating the fluid in the liquid state in a first closed circuit comprising the condenser and the set of storage chambers,
- second means for circulating the fluid in the liquid state in a second closed circuit, comprising the evaporator and the set of storage elements
The set of storage enclosures can be made up of a series of independent containers, preferably insulated separately and connected by conduits connecting the upper part of a container to the lower part of the neighboring container so as to limit as much as possible temperature setting.
Suivant une modalité intéressante, cet ensemble est constitué par un récipient unique, allongé horizontalement et divisé par des cloisons s'opposant au mélange de fractions liquides de températures différentes. According to an interesting method, this set consists of a single container, elongated horizontally and divided by partitions opposing the mixing of liquid fractions of different temperatures.
Suivant une autre modalité, ensemble d'enceintes de stockage est constitué par un tube unique ou en ensemble de tubes disposés en parallèle, chaque tube ayant une section assez faible pour s'opposer efficacement au mélange de fractions liquides de températures differentes antennes dans ledit tube. According to another method, a set of storage chambers is made up of a single tube or a set of tubes arranged in parallel, each tube having a section small enough to effectively oppose the mixing of liquid fractions of different antenna temperatures in said tube. .
Avantageusement, le condenseur contient une masse poreuse destinée à faciliter la condensation du fluide, et de préférence ladite masse poreuse est en béton cellulaire. Advantageously, the condenser contains a porous mass intended to facilitate the condensation of the fluid, and preferably said porous mass is made of cellular concrete.
Suivant une forme de réalisation qui se révèle économiquement intéressante dans le cas où les points extérieurs de fourniture et de récupération sont les mêmes, et où les quantités de chaleur et de fluide fournies et reçues par des points sont sensiblement les mêmes, le condenseur et lte- vaporateur sont constitués par une enceinte unique 'et en ce que des vannes permettent de réaliser les premiers et seconds circuits fermés dans les sens désirés. According to an embodiment which proves to be economically advantageous in the case where the external supply and recovery points are the same, and where the quantities of heat and fluid supplied and received by points are substantially the same, the condenser and lte - evaporator are constituted by a single enclosure 'and in that valves make it possible to produce the first and second closed circuits in the desired directions.
Si la fourniture et l'extraction du fluide se font à des températures et pressions qui varient en sens inverse et avec des amplitudes analogues, on peut prévoir avantageusement que les moyens pour faire circuler le fluide sont prévus pour faire traverser l'ensemble d'enceintes de stockage dans un sens dans le premier circuit fermé et dans le sens opposé dans le second circuit fermé. If the supply and the extraction of the fluid take place at temperatures and pressures which vary in opposite directions and with similar amplitudes, it can advantageously be provided that the means for circulating the fluid are provided for passing through the set of chambers storage in one direction in the first closed circuit and in the opposite direction in the second closed circuit.
L'invention concerne aussi un procédé de stockage et restitution d'énergie qui utilise l'installation qu'on vient de décrire, et qui comporte les étapes suivantes constituant un cycle continu
- on dispose dans ensemble d'éléments de stockas ge du fluide à l'état liquide dont les températures varient de façon régulière de la première à la dernière des enceinte tes dudit ensemble disposées en série
- On envoie simultanément dans le condenseur du fluide gazeux provenant de l'extérieur et, grâce auxdits premiers moyens de circulation, du fluide liquide provenant des enceintes de stockage, en envoyant ledit fluide liquide à des températures qui varient régulièrement et en maintenant dans le condenseur une pression supérieure, à chaque instant i la pression de condensation du fluide à la température d'intro- duction du fluide liquide, réalisant ainsi un stockage d'd nergie dans le liquide sous forme de chaleur de condensation
- On arrête le stockage d'énergie au moment où, par suite de la circulation en circuit fermé, l'ensemble d'enceintes de stockage contient a nouveau du fluide dont la température varie de façon régulière de la première i la dernière desdites enceintes, et où par conséquent la variation de la température du fluide introduit dans le condenseur va présenter un changement de sens.The invention also relates to a method of energy storage and restitution which uses the installation which has just been described, and which comprises the following steps constituting a continuous cycle
- A set of storage elements of the fluid in the liquid state is available, the temperatures of which vary regularly from the first to the last of the enclosures of said set arranged in series
- Gaseous fluid from the outside is sent simultaneously to the condenser and, thanks to said first circulation means, liquid fluid from the storage chambers, by sending said liquid fluid at temperatures which vary regularly and keeping in the condenser a higher pressure, at all times i the condensing pressure of the fluid at the temperature of introduction of the liquid fluid, thus achieving energy storage in the liquid in the form of heat of condensation
The energy storage is stopped at the moment when, as a result of the circulation in a closed circuit, the set of storage enclosures again contains fluid whose temperature varies regularly from the first to the last of said enclosures, and where consequently the variation of the temperature of the fluid introduced into the condenser will present a change of direction.
- On envoie, grâce aux seconds moyens de circula= tion, du fluide liquide provenant des enceintes de stockage et simultanément on soutire du fluide gazeux vers l'extérieur, ledit fluide liquide étant envoyé à des températures qui varient régulièrement dans un sens qui dépend du sens de circu- lation du fluide dans l'ensemble d'enceintes de stockage, et on maintient dans l'évaporateur une pression inférieure à la pression d'évaporation du fluide à la température d'introduc- tion du liquide, réalisant ainsi une restitution d'énergie dans le fluide gazeux sous forme de chaleur d'évaporation. - We send, thanks to the second means of circulation = tion, liquid fluid from the storage chambers and simultaneously we withdraw gaseous fluid outward, said liquid fluid being sent to temperatures which vary regularly in a direction which depends on the direction of flow of the fluid in the set of storage chambers, and a pressure is maintained in the evaporator below the evaporation pressure of the fluid at the temperature of introduction of the liquid, thus achieving a restitution energy in the gaseous fluid in the form of heat of evaporation.
- On arrête le stockage d'énergie au moment ou par suite de la circulation en circuit fermé l'ensemble d'enceintes de stockage contient à nouveau du fluide dont la tempéra ture varie de façon régulière de la première à la dernière desdites enceintes2 IVétat initial étant alors réalisé à nouveau. - The energy storage is stopped at the time or as a result of the circulation in a closed circuit the set of storage enclosures again contains fluid whose temperature varies regularly from the first to the last of said enclosures2 IV Initial state then being performed again.
On peut prévoir, dans les usines, qui sont nombreuses, où la chaleur est fournie à des températures décroissantes, correspondant par exemple au refroidissement d'une masse chaude, que la condensation a lieu à des températures décroissantes, alors que l'évaporation a lieu à des températures croissantes. One can foresee, in the factories, which are numerous, where the heat is supplied at decreasing temperatures, corresponding for example to the cooling of a hot mass, that condensation takes place at decreasing temperatures, while evaporation takes place at increasing temperatures.
L'invention va maintenant être expliquée plus en détail à l'aide d'exemples pratiques, donnés à titre non limitatifs et illustrés aux dessins parmi lesquels
Fig. 1 est un schéma d'une installation selon 1'invention.The invention will now be explained in more detail using practical examples, given without limitation and illustrated in the drawings, among which
Fig. 1 is a diagram of an installation according to the invention.
Fig. 2 est un schéma d'une autre installation selon l'invention. Fig. 2 is a diagram of another installation according to the invention.
L'installation décrite à la fig. 1 comprend un ensemble 1 formé d'une série d'enceintes de stockage, 2a, 2b... The installation described in fig. 1 comprises an assembly 1 formed by a series of storage enclosures, 2a, 2b ...
2n constituées chacune d'un récipient indépendant qui est relié au récipient voisin par un conduit 3 qui débouche en partie basse d'un récipient et en partie haute de l'autre.2n each consisting of an independent container which is connected to the neighboring container by a conduit 3 which opens at the bottom of one container and at the top of the other.
La première enceinte 2a est reliée au condenseur 4 par deux conduits en série 5, 6 et à l'évaporateur 7 par un conduit 8 qui se raccorde au conduit 5. La dernière enceinte 2n est, de meme reliée au condenseur par deux conduits en série 9, 10 et à l'évaporateur par un conduit Il qui se raccorde au conduit 9. Le conduit 6 est équipé d'une pompe 12, munie d'un clapet antiretour 13, et qui fait circuler le fluide (qui est ici de l'eau pressurisée) du condenseur vers la première enceinte 2a. Le conduit 10 est équipé d'une vanne de décharge 14. L'ouverture de la vanne et la mise en marche de la pompe font circuler le liquide en circuit fermé dans le sens anti-horaire sur la figure, représenté par la flèche y. The first enclosure 2a is connected to the condenser 4 by two conduits in series 5, 6 and to the evaporator 7 by a conduit 8 which is connected to the conduit 5. The last enclosure 2n is likewise connected to the condenser by two conduits in series 9, 10 and to the evaporator by a conduit II which is connected to the conduit 9. The conduit 6 is equipped with a pump 12, provided with a non-return valve 13, and which circulates the fluid (which is here of the pressurized water) from the condenser to the first enclosure 2a. The conduit 10 is equipped with a discharge valve 14. The opening of the valve and the starting of the pump circulate the liquid in a closed circuit in an anti-clockwise direction in the figure, represented by the arrow y.
Symétriquement, les conduits 11 et 8 sont équipées respectivement d'une pompe 15 avec clapet anti-retour 16, et d'une vanne de décharge 17, de façon à faire tourner le fluide en circuit fermé dans le sens horaire sur la figure, sym bolisé par la flèche x. Symmetrically, the conduits 11 and 8 are respectively equipped with a pump 15 with non-return valve 16, and with a discharge valve 17, so as to rotate the fluid in a closed circuit clockwise in the figure, sym bolised by the arrow x.
Le condenseur 4 est un récipient fermé en acier de forme cylindrique horizontale, équipé à l'intérieur d'une rampe d'arrosage (ou pulvérisation) 18, située en partie haute et reliée au conduit DO. La partie centrale du condenseur est occupé par une masse en béton cellulaire 19 dont le role est de faciliter, par sa grande surface, la condensation du fluide. Le condenseur est relié par une conduite 20 a une source extérieure de vapeur 21. The condenser 4 is a closed steel container of horizontal cylindrical shape, fitted inside a sprinkler (or spraying) 18, located in the upper part and connected to the pipe DO. The central part of the condenser is occupied by a cellular concrete mass 19 whose role is to facilitate, by its large surface, the condensation of the fluid. The condenser is connected by a line 20 to an external source of steam 21.
Le conduit 6 débouche à la partie inférieure du condenseur, c'est-à-dire, normalement, en dessous de la surface du condensat 22. Le condenseur est équipé en outre d'un dispositif de trop-plein du condensat 23, qui dirige l'excès de condensat vers l'évaporateur, et d'un dispositif de purge des gaz incondensables 24 débouchant en partie haute
L'évaporateur 7 est de structure analogue au con- denseur, mais il est dépourvu de masse de béton cellulaire. The duct 6 opens at the bottom of the condenser, that is to say normally, below the surface of the condensate 22. The condenser is furthermore equipped with a condensate overflow device 23, which directs excess condensate to the evaporator, and a non-condensable gas purge device 24 opening at the top
The evaporator 7 has a structure similar to the condenser, but it is devoid of mass of aerated concrete.
La rampe d'arrosage (ou pulvérisation) 25 est reliée à un conduit 8 et le conduit 11 débouche en partie basse Une con- duite 26 le relie i une installation extérieure consommatrice de vapeur 27 qui peut etre confondue avec la source de vapeur 20. Le dispositif de trop-plein 28 du condenseur dé- bouche sur l'extérieur. The watering (or spraying) ramp 25 is connected to a duct 8 and the duct 11 opens out at the bottom. A duct 26 connects it to an outdoor installation consuming steam 27 which can be confused with the steam source 20. The condenser overflow device 28 opens to the outside.
Le fonctionnement de l'installation est le suivant :
Supposons que, d'une part, nous ayons stocké dans les enceintes de stockage de l'eau pressurisée i une tempéra- ture qui varie régulièrement de 702C dans la première encetoa te 2a à 150 C dans la dernière enceinte 2n, et que, d'autre part la source extérieure de vapeur 21 soit constituée par une ericeinte qui contient une quantité finie de vapeur A
On ferme la vanne 17, ce qui isole le condenseur, on ouvre la vanne 14 et on met en route la pompe 12, ce qui crée une circulation en circuit fermé dans le sens y.The operation of the installation is as follows:
Let us suppose that, on the one hand, we have stored in the storage enclosures of pressurized water i at a temperature which varies regularly from 702C in the first enclosure 2a to 150 C in the last enclosure 2n, and that, d on the other hand the external source of steam 21 is constituted by an ericeinte which contains a finite quantity of steam A
The valve 17 is closed, which isolates the condenser, the valve 14 is opened and the pump 12 is started, which creates a closed circuit circulation in the y direction.
a pompe 12 fait entrer le fluide dans l'ensemble 1 d'enceintes de stockage et en fait ressortir a l'autre ex trémité un même volume d'eau à 150 C qui est à son tour injecté dans le condenseur 4. Cette eau, au contact de la vapeur va se réchauffer tout en condensant de la vapeur pompe continuant de tourner va permettre une injection permanente d'eau à à température décroissante. Comme il y a condensation, donc consommation de vapeur, la température et la pression de celle-ci dans l'enceinte 21 vont décroître, nous allons extraire une eau mélangée de condensat à température également décroissante.La température décroîtra tant qu'il y aura de lVeau à injecter dans le condenseur à une température inférieure a celle de la vapeur pour qu'il y ait condensation. De cette manière, nous avons condensé de la vapeur à température et pression décroissante et nous avons stocké de l'eau surchauffée également à température décroissante mais à pression constante dans l'ensemble 1. a pump 12 brings the fluid into the set 1 of storage chambers and brings out the same end at the same end of the same volume of water at 150 C which is in turn injected into the condenser 4. This water, on contact with steam will heat up while condensing steam pump continuing to run will allow a permanent injection of water at decreasing temperature. As there is condensation, therefore vapor consumption, the temperature and the pressure of this one in enclosure 21 will decrease, we will extract a mixed water of condensate at also decreasing temperature. The temperature will decrease as long as there is of water to be injected into the condenser at a temperature lower than that of steam for condensation to occur. In this way, we condensed steam at decreasing temperature and pressure and we stored superheated water also at decreasing temperature but at constant pressure in the set 1.
Pour obtenir de la vapeur à partir de cette eau pressurisée, il suffit de fermer la vanne 14, d'arrêter la pompe 12, d'ouvrir la vanne 17 et de mettre en marche la pompe 15, ce qui inverse le sens de circulation dans l'ensemble de stockage 1, et permet dtinjecter dans l'évaporateur 7 de l'eau de plus en plus chaude, pour extraire du condenseur, en direction de l'installation consommatrice 27, de la vapeur à pression et températures croissantes. To obtain steam from this pressurized water, it suffices to close the valve 14, to stop the pump 12, to open the valve 17 and to start the pump 15, which reverses the direction of circulation in the storage assembly 1, and makes it possible to inject increasingly hot water into the evaporator 7, to extract from the condenser, in the direction of the consuming installation 27, steam at increasing pressure and temperatures.
Les manoeuvres des vannes et pompes sont commandées par un dispositif de régulation central 29. The operations of the valves and pumps are controlled by a central regulating device 29.
On observera que, si lton désire que la vapeur soit restituée à température et pression constante, il suffirait de changer le sens de circulation en circuit fermé au cours de la phase correspondante du procédé. Les modifications nécessaires de l'installation sont évidentes pour l'homme de l'art. Si on désirait que la restitution de vapeur ait lieu suivant une loi différente, par exemple à pression et températures sensiblement constantes, on peut obtenir le résultat cherché en pr- voyant, par exemple deux installations en parallèle, équipées de pompes dont le sens et le débit seraient commandés selon la loi convenable. It will be observed that, if it is desired that the steam be returned at constant temperature and pressure, it would suffice to change the direction of circulation in a closed circuit during the corresponding phase of the process. The necessary modifications to the installation are obvious to those skilled in the art. If it was desired that the return of steam take place according to a different law, for example at substantially constant pressure and temperatures, the desired result can be obtained by providing, for example two installations in parallel, equipped with pumps whose direction and debit would be ordered according to suitable law.
De la même manière, il est possible d'obtenir une condensation de vapeur à pression et température croissantes en suivant une loi définie quelconque. In the same way, it is possible to obtain a condensation of vapor at increasing pressure and temperature by following any defined law.
La figure 2 montre une variante de 1'installation de la figure 1. Les différences portent sur deux points, d'ailleurs indépendants l'un de l'autre. Figure 2 shows a variant of the installation of Figure 1. The differences relate to two points, moreover independent of each other.
D' une part, l'ensemble de stockage 1 est cons titué par un récipient accumulateur unique 30, de forme al- longée et pourvu de cloisons 31 en chicane qui le divisent en compartiments 32a à 32 n disposes en série Sur la figure, l'accumulateur 30 est disposé horizontalement, mais il peut être placé verticalement, les compartiments normalement les plus chauds étant en haut. On the one hand, the storage assembly 1 is constituted by a single accumulator container 30, of elongated shape and provided with baffled partitions 31 which divide it into compartments 32a to 32 n arranged in series. In the figure, l accumulator 30 is arranged horizontally, but it can be placed vertically, the normally warmest compartments being at the top.
La seconde différence réside dans le fait que le condenseur 2 et l'évaporateur sont confondus en une même enceinte 40. The second difference resides in the fact that the condenser 2 and the evaporator are combined in the same enclosure 40.
Les conduits 6, 8, 10, il sont en conséquence pour vus de vannes 41 qui permettent de créer des circuits fermés de sens x ou y à volonté, une seule pompe 12 assurant la cir- culation dans tous les cas. Cette variante permet l'économie d'une pompe, en revanche, elle réduit la capacité de compen- sation des irrégularités d'alimentation en vapeur. En effet, le dispositif de trop-plein 23 qui permet de déverser un ex cès de condensat du condenseur vers l'évaporateur a évidem- ment disparu. The conduits 6, 8, 10, there are consequently, when viewed from valves 41 which make it possible to create closed circuits of direction x or y at will, a single pump 12 ensuring circulation in all cases. This variant saves a pump, however, it reduces the capacity to compensate for irregularities in the steam supply. In fact, the overflow device 23 which makes it possible to discharge an excess of condensate from the condenser to the evaporator has obviously disappeared.
Une telle installation, avec un accumulateur de 200 m3 maintenu sous une pression absolue de 120 da N et un condenseur-évaporateur de 50 m3 permet d'extraire, à chaque opération, une quantité d'énergie réutilisable de 18 a 20 z 106 kJ, ce qui correspond, pour une chaudière ayant un rendement de 80 %, à à 580 à 650 kg de fuel lourd par opération. Such an installation, with an accumulator of 200 m3 maintained under an absolute pressure of 120 da N and a condenser-evaporator of 50 m3 makes it possible to extract, at each operation, a quantity of reusable energy from 18 to 20 z 106 kJ, which corresponds, for a boiler with an efficiency of 80%, to 580 to 650 kg of heavy fuel oil per operation.
Le bénéfice peut encore etre augmenté en utilisant des thermo-compresseurs pour recompresser légèrement la vapeur à basse pression,
L'invention intéresse toutes les industries qui utilisent d la vapeur produite de façon non continue, pa quantités finies, et qui ont, dans un temps différé, l'utili- sation de l'énergie stockée, soit directement sous forme de vapeur, à des températures analogues à celles de la production, soit à des températures différentes avec éventuellement interposition d'une pompe i chaleur a la sortie, soit sous une autre forme d'énergie, moyennant transformation. Le sto- ckage peut durer de quelques minutes à plusieurs jours, i condition d'avoir une isolation thermique convenable. The benefit can be further increased by using thermo-compressors to slightly recompress the steam at low pressure,
The invention is of interest to all industries which use steam produced non-continuously, in finite quantities, and which have, in a deferred time, the use of stored energy, either directly in the form of steam, at temperatures similar to those of production, either at different temperatures with the possible interposition of a heat pump at the outlet, or in another form of energy, by means of transformation. Storage can last from a few minutes to several days, provided there is adequate thermal insulation.
Parmi les applications possibles on peut citer la climatisation, notamment en couplage avec des capteurs solaires, les industries du papier, de la fabrication des matéri- aux : céramique, béton cellulaire, etc..., de la fonderie, de la transformation de la bauxite, de l'agro-alimentaire etc... Possible applications include air conditioning, especially in conjunction with solar collectors, the paper industries, the manufacturing of materials: ceramics, aerated concrete, etc ..., foundry, transformation of bauxite, food industry etc ...
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Applications Claiming Priority (1)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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