FR2862345A1 - Dispositif d'echange de chaleur et procede pour controler la temperature d'un fluide, en particulier pour un moteur a microturbine - Google Patents
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Abstract
Dispositif d'échange de chaleur, destiné à être utilisé avec un moteur à microturbine (10) comprenant un récupérateur (50) qui décharge un flux de gaz d'échappement au cours du fonctionnement. Le dispositif comprend un logement d'échangeur de chaleur (70), comportant une première ouverture, une deuxième ouverture, et une troisième ouverture. Un échangeur de chaleur (60) est couplé au logement de l'échangeur de chaleur à proximité de la troisième ouverture. Un élément de commande (200) est couplé au logement de l'échangeur de chaleur, en étant mobile entre une première position et une seconde position. L'élément de commande peut fonctionner pour diriger le flux de gaz perdus à partir de la première ouverture, à travers l'échangeur de chaleur, et jusqu'à la troisième ouverture lorsqu'il se trouve dans la première position, et à partir de la première ouverture jusqu'à la troisième ouverture lorsqu'il se trouve dans la seconde position.
Description
DISPOSITIF D'ECHANGE DE CHALEUR ET PROCEDE POUR
CONTROLER LA TEMPERATURE D'UN FLUIDE, EN PARTICULIER
POUR UN MOTEUR A MICROTURBINE
La présente invention concerne une turbomachine à combustion, adaptée à la cogénération d'eau réchauffée. Plus particulièrement, la présente invention concerne une microturbine qui peut être sélectivement utilisée pour la cogénération.
Les moteurs à microturbine sont des sources d'énergie relativement petites et efficaces. Les microturbines peuvent être utilisées pour générer de l'électricité, et/ou actionner des équipements auxiliaires tels que des pompes ou des compresseurs. Lorsqu'elles sont utilisées pour générer de l'électricité, les microturbines peuvent être utilisées indépendamment de la grille d'usage général, ou bien synchronisées avec la grille d'usage général. En général, les moteurs à microturbine sont limités aux applications requérant 2 mégawatts (MW) de puissance, ou moins. Cependant, quelques applications de plus de 2 MW peuvent utiliser un moteur à microturbine.
Les moteurs à microturbine laissent typiquement s'échapper des gaz qui comprennent une quantité substantielle de "chaleur perdue". Cette "chaleur perdue" peut être utilisée pour la cogénération d'eau réchauffée avant de s'échapper dans l'atmosphère. Les moteurs à microturbine courants de cogénération dirigent les gaz d'échappement à travers un second échangeur de chaleur pour chauffer de l'eau ou un autre fluide. Les gaz d'échappement sont ensuite évacués dans l'atmosphère. Au cours des périodes pendant lesquelles la cogénération n'est pas nécessaire, un petit flux de fluide est maintenu à l'intérieur du second échangeur de chaleur dans un but de refroidissement. Les gaz d'échappement chauds passent typiquement à travers au moins une partie du second échangeur de chaleur au cours de tous les modes de fonctionnement.
La présente invention se rapporte à un moteur à microturbine comprenant: une chambre de combustion capable de fonctionner pour produire un flux de produits de combustion chauds; - une turbine tournant en fonction du flux des produits de combustion chauds à travers celle-ci, la turbine déchargeant un flux de gaz d'échappement chauds; - un récupérateur recevant le flux des gaz d'échappement chauds et déchargeant un flux de gaz perdus; - un logement d'échangeur de chaleur recevant le 20 flux de gaz perdus, et comprenant un premier passage de flux et un second passage de flux; - un échangeur de chaleur disposé à l'intérieur du premier passage de flux; et - un élément de commande mobile entre une première position et une seconde position, de telle sorte que lorsque l'élément de commande est disposé dans la première position, le flux de gaz perdus est dirigé le long du premier passage de flux, et lorsque l'élément de commande est disposé dans la seconde position, le flux de gaz perdus est dirigé le long du second passage de flux.
Selon des modes préférés de réalisation de la présente invention: - la turbine comprend une turbine à admission radiale; - l'échangeur de chaleur comprend un échangeur de chaleur à tubes à ailettes; - l'échangeur de chaleur est supporté à l'intérieur d'un cadre, et le cadre est fixé au logement de l'échangeur de chaleur; - le cadre définit une fenêtre ouverte, et le flux de gaz perdus passe à travers l'échangeur de chaleur dans une première direction, et passe à travers la fenêtre ouverte dans une seconde direction sensiblement opposée à la première direction lorsque l'élément de commande se trouve dans la première position; - l'élément de commande comprend un volet d'obturation pouvant tourner autour d'un axe en réponse au mouvement d'un actionneur; - l'actionneur comprend un vérin hydraulique; - un fluide s'écoule à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, et la microturbine comprend en outre un capteur mesurant la température du fluide; - le moteur à microturbine comprend en outre un actionneur capable de déplacer l'élément de commande en 25 réponse à la température mesurée.
La présente invention se rapporte également à un dispositif d'échange de chaleur, adapté pour être utilisé avec un moteur à microturbine comprenant un récupérateur qui décharge un flux de gaz d'échappement en fonctionnement, le dispositif comprenant: - un logement d'échangeur de chaleur, comportant une première ouverture à travers laquelle le flux de gaz d'échappement entre dans le logement, et une seconde ouverture à travers laquelle les gaz d'échappement sortent du logement; - un échangeur de chaleur à l'intérieur du logement d'échangeur de chaleur; et - un élément de commande mobile entre une première position et une seconde position, l'élément de commande dirigeant le flux de gaz d'échappement à partir de la première ouverture, à travers l'échangeur de chaleur, et jusqu'à la seconde ouverture lorsqu'il se trouve dans la première position, et: à partir de la première ouverture jusqu'à la seconde ouverture sensiblement sans écoulement à travers l'échangeur de chaleur lorsqu'il se trouve dans la seconde position.
Selon des modes préférés de réalisation de ce dispositif: - l'échangeur de chaleur comprend un échangeur de 20 chaleur à tubes à ailettes; l'échangeur de chaleur est supporté l'intérieur d'un cadre, et le cadre est fixé au logement de l'échangeur de chaleur; - le cadre définit une fenêtre ouverte, et le flux de gaz perdus passe à travers l'échangeur de chaleur dans une première direction, et passe à travers la fenêtre ouverte dans une seconde direction sensiblement opposée à la première direction lorsque l'élément de commande se trouve dans la première position; l'élément de commande comprend un volet d'obturation pouvant tourner autour d'un axe en réponse au mouvement d'un actionneur; - l'actionneur comprend un vérin hydraulique; - un fluide s'écoule à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, et la microturbine comprend en outre un capteur mesurant la température du fluide; - le dispositif d'échange de chaleur comprend en outre un actionneur capable de déplacer l'élément de 10 commande en réponse à la température mesurée.
La présente invention concerne en outre un procédé destiné à contrôler la température d'un flux de fluide dans un échangeur de chaleur en utilisant un moteur à microturbine, le procédé comprenant les étapes suivantes.
- faire fonctionner le moteur afin de produire un flux de gaz chauds; faire passer les gaz chauds à travers un récupérateur afin de réchauffer un flux d'air comprimé ; - décharger un flux de gaz d'échappement à partir du récupérateur; diriger le flux de gaz d'échappement jusqu'à un élément de commande; positionner l'élément de commande afin de diriger une partie souhaitée du flux de gaz d'échappement à travers un dispositif de récupération de chaleur; faire passer le flux de fluide à travers le dispositif de récupération de chaleur; détecter la température du flux de fluide; et déplacer l'élément de commande jusqu'à une nouvelle position entre une première position et une seconde position en réponse à la température détectée.
Avantageusement, le procédé comprend en outre une étape consistant à déterminer une valeur de consigne de température et comparer la valeur de consigne de température avec la température du flux de fluide.
De préférence, l'étape du positionnement de l'élément de commande comprend en outre une étape consistant à mouvoir un actionneur hydraulique.
D'autres caractéristiques et d'autres aspects de la présente invention vont devenir plus apparents à l'étude de la description détaillée qui suit, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective d'une partie d'un moteur à microturbine; - la figure 2 est une vue en perspective d'une partie du moteur à microturbine comprenant un second échangeur de chaleur; - la figure 3 est une vue en perspective d'une conduite de l'échangeur de chaleur; - la figure 4 est une vue en perspective d'un second échangeur de chaleur; - la figure 5 est une vue latérale de la conduite 25 de l'échangeur de chaleur de la figure 4, comprenant un volet d'obturation en position ouverte; et - la figure 6 est une vue latérale de la. conduite de l'échangeur de chaleur de la figure 4, comprenant un volet d'obturation en position fermée.
Avant que ne soient expliqués les modes de réalisation de l'invention, il est précisé que celle-ci n'est pas limitée dans ses applications aux détails de construction et aux agencements de composants illustrés sur les dessins annexés. L'invention présente d'autres modes de réalisation, et peut être réalisée de diverses manières. Par exemple, les termes "connecté", "couplé", et "monté", et leurs variantes, sont utilisés dans un sens large, et englobent connexions, couplages, et montages, directs et indirects. De plus, les termes "connecté" et "couplé, et leurs variantes, ne sont pas restreints à des connexions ou à des couplages physiques ou mécaniques.
En faisant référence à la figure 1, il est illustré un système de moteur à microturbine 10, comprenant une section de turbine 15, une section de générateur 20, et un système de contrôle 25. La section de turbine 15 comprend une turbine centrifuge 35, un compresseur 45, un récupérateur 50, et une chambre de combustion 55. Le récupérateur 50 peut être du genre à ailettes-plaque, avec la chambre de combustion 55 située dans le collecteur d'entrée, tel que décrit dans le brevet US n 5 450 724, dont le contenu se trouve ici incorporé à titre de référence.
Le moteur 10 comprend une turbine classique à cycle de combustion de Brayton, avec le récupérateur 50 ajouté afin d'améliorer le rendement du moteur. Le moteur montré est un moteur monocorps (un seul ensemble d'éléments tournants). Cependant, l'invention englobe également les moteurs à plusieurs corps. Le compresseur 45 est un compresseur du type centrifuge, comportant un élément tournant qui tourne en fonction du fonctionnement de la turbine 35. Le compresseur 45 montré est un compresseur à un seul étage. Cependant, des compresseurs multi-étages peuvent être employés lorsqu'un rapport de pression plus élevé est souhaité. En variante, des compresseurs de différentes conceptions (par exemple, des compresseurs axiaux, des compresseurs à piston, et compresseurs similaires) peuvent être employés pour alimenter le moteur en air comprimé.
La turbine 35 est une turbine radiale mono étage comportant un élément tournant directement couplé à l'élément tournant du compresseur 45. Dans d'autres constructions, il est possible d'employer des turbines multiétages, ou d'autres types de turbines. Les éléments tournants couplés de la turbine 35 et du compresseur 45 sont en prise avec la section de générateur 20. Dans certaines constructions, les éléments tournants couplés sont en prise avec une boîte de vitesse, ou autre réducteur de vitesse, disposée entre la section turbine 15 et la section générateur 20.
Le récupérateur 50 comprend un échangeur de chaleur, employé pour transférer la chaleur provenant d'un fluide chaud jusqu'à l'air comprimé relativement froid quittant le compresseur 45. Un récupérateur 50 approprié est décrit dans le brevet US n 5 983 992, incorporé ici à titre de référence. Le récupérateur 50 comprend une pluralité de cellules d'échange ce chaleur, empilées les unes au-dessus des autres afin de définir entre elles de passages de flux. L'air comprimé froid s'écoule à l'intérieur des cellules individuelles, tandis qu'un flux de gaz d'échappement chauds passe entre les cellules d'échange de chaleur.
Au cours du fonctionnement du système de moteur à microturbine 10, l'élément tournant du compresseur 45 tourne en réponse à la rotation de l'élément tournant de la turbine 35. Le compresseur 45 aspire l'air atmosphérique, et augmente sa pression. L'air à haute pression sort du compresseur 45, et s'écoule vers le récupérateur 50.
Le flux d'air comprimé, à présent préchauffé à l'intérieur du récupérateur 50, s'écoule vers la chambre de combustion en tant que flux d'air préchauffé. L'air préchauffé se mélange avec une alimentation de carburant à l'intérieur de la chambre de combustion 55, puis est brûlé afin de produire un flux de produits de combustion. L'utilisation d'un récupérateur 50 afin de préchauffer l'air, permet d'utiliser moins de carburant pour atteindre la température souhaitée à l'intérieur du flux des produits de combustion, améliorant de ce fait le rendement du moteur.
Le flux des produits de combustion entre dans la turbine 35, et transfère l'énergie thermique et cinétique à la turbine 35. Le transfert d'énergie résulte en une rotation de l'élément tournant de la turbine 35, et en une chute de la température des produits de combustion. Le transfert d'énergie permet à la turbine 35 d'entraîner à la fois le compresseur 45 et le générateur 20. Les produits de combustion sortent de la turbine 35 en tant que premier flux de gaz d'échappement.
Dans les constructions qui emploient une seconde turbine, la première turbine 35 n'entraîne que le compresseur, tandis que la seconde turbine entraîne le générateur 20 ou tout autre dispositif devant être entraîné. La seconde turbine reçoit le premier flux d'échappement, tourne en fonction du flux des gaz d'échappement à travers celle--ci, et décharge un second flux d'échappement.
Le premier flux d'échappement, ou le second flux d'échappement dans les moteurs à deux turbines, entre dans les zones d'écoulement entre les cellules d'échange de chaleur du récupérateur 50, et transfère au flux d'air comprimé l'énergie de chaleur en excédent. Les gaz d'échappement sortent alors du récupérateur 50, et sont évacués dans l'atmosphère, traités, ou encore utilisés en tant que de besoin (par exemple, une cogénération utilisant un second échangeur de chaleur 60, comme montré sur les figures 1 et 2).
En se référant à la figure 2, une partie du moteur à microturbine 10 est illustrée comme comprenant l'échangeur de chaleur 60, une chambre d'échappement 65, une conduite d'échangeur de chaleur 70, un couvercle de fond 75, et un couvercle d'échappement 80. L'échangeur de chaleur 60, illustré sur la figure 4, est un échangeur de chaleur à tubes à ailettes, d'autres concepts d'échangeur de chaleur (par exemple, des ailettes en plaques, des tubes à coque, et autres échangeurs similaires) sont également appropriés pour fonctionner avec la présente invention. Une pluralité de tubes 85 transporte un fluide, tel que de l'eau, pendant que les gaz d'échappement chauds s'écoulent et traversent les ailettes et la surface externe des tubes 85. Le fluide à l'intérieur des tubes 85 est chauffé par les gaz d'échappement, et les gaz d'échappement sont refroidis avant d'être évacués dans l'atmosphère. L'échangeur de chaleur 60 comprend un collecteur d'entrée 90 sous la forme d'un premier large tuyau, et un collecteur de sortie 95 sous la forme d'un second large tuyau disposé à proximité d'une extrémité inférieure 100 de l'échangeur de chaleur 60. Les tubes 85 pénètrent dans chacun des collecteurs 90 et 95 afin de répartir et de collecter l'eau vers, et en provenance, des divers tubes 85 qui composent l'échangeur de chaleur 60. Les divers tubes 85 définissent un module échangeur de chaleur 105 comprenant une entrée de gaz 110 et une sortie de gaz 115.
Le module 105 est supporté à l'intérieur d'un cadre 120 comprenant une fenêtre de dérivaticn ouverte 125. Les gaz s'écoulent à travers le module 105, chauffent le fluide s'écoulant à travers les tubes 85, puis le flux retourne à travers la fenêtre ouverte 125. Dans une autre construction, le module 105 s'étend sur toute la longueur du cadre 120, où n'est prévue aucune fenêtre ouverte 125.
Le cadre 120 comprend une bride de fixation d'entrée 130 à proximité du côté entrée des gaz 110 du module 105, et en l'entourant au moins partiellement, et une bride de fixation de sortie 135 à prcximité du côté sortie des gaz 115 du module 105, et en l'entourant au moins partiellement.
En revenant à la figure 2, la chambre d'échappement 65 est montrée comme comprenant une large ouverture d'entrée 140, et une plus petite ouverture de sortie 145. Les deux ouvertures 140 et 145 présentent une forme sensiblement rectangulaire, l'ouverture d'entrée 140 se trouvant sensiblement entourée par une bride 150 d'entrée de chambre, et l'ouverture de sortie 145 se trouvant sensiblement entourée par une bride 155 de sortie de chambre. Les brides 150 et 155 comprennent une surface sensiblement plate et une pluralité de trous qui facilitent, respectivement, l'étanchéité et l'assemblage.
La bride d'entrée 150 se fixe au côté échappement du récupérateur 50, permettant de ce fait au récupérateur 50 de délivrer le flux de gaz d'échappement jusqu'à l'ouverture d'entrée 140. Chacun des boulons d'une pluralité de boulons s'étend à travers un des trous dans la bride d'entrée 150, afin de fixer la chambre d'échappement 65 au récupérateur 50. Dans certaines constructions, un joint d'étanchéité (par exemple, un enroulement spiralé métallique, en métal doux, en fibre, et autres matériaux similaires) se trouve positionné entre le récupérateur 50 et la chambre d'échappement 65, afin d'améliorer l'étanchéité et d'inhiber les fuites entre les composants 50 et 65.
Bien que des boulons aient été décrits en tant que moyen de fixation, d'autres procédés pour relier les deux composants 50 et 65 sont possibles. Par exemple, les deux composants 50 et 65 peuvent être soudés l'un avec l'autre. En variante, un système de serrage peut être employé afin de serrer et fixer la bride d'entrée 150 sur le récupérateur 50. Comme tel, l'invention ne devrait pas être limitée à l'utilisation des seuls moyens de fixation. De plus, l'invention ne devrait pas être limitée aux seules ouvertures rectangula__res. Bien que les ouvertures rectangulaires soient faciles à produire au cours de la fabrication de la chambre d'échappement 65, d'autres formes d'ouvertures, telles que circulaires ou ovales, se montrent également bien adaptées à la présente invention.
La conduite de l'échangeur de chaleur 70, illustrée sur la figure 3,, comprend une première ouverture 160, une deuxième ouverture 165, et une troisième ouverture 170. Les première, deuxième, et troisième ouvertures 160, 165 et 170 sont toutes, et au moins partiellement, entourées par une première, deuxième, et troisième brides de fixation 175, 180 et 185, respectivement. Les première, deuxième, et troisième brides de fixation 175, 180 et 185, sont similaires aux brides d'entrée et de sortie 150 et 155 de la chambre d'échappement 65. La première bride de fixation 175 est dimensionnée pour s'aligner avec la bride de sortie 155 de la chambre d'échappement 65. Les brides 155 et 175 entourent au moins partiellement la première ouverture 160 et l'ouverture de sortie 145, de telle sorte que les ouvertures 145 et 160 s'alignent l'une avec l'autre, et coopèrent à la délivrance des gaz d'échappement en provenance de la chambre d'échappement 65, jusqu'à la conduite de l'échangeur de chaleur 70. De nouveau, des boulons sont utilisés pour faciliter la fixation, d'autres procédés de fixation (par soudure, serrage, vissage, et autres procédés semblables) pouvant être également appropriés. De plus, un joint d'étanchéité approprié peut être pourvu entre les deux composants 65 et 70, afin d'améliorer l'étanchéité et empêcher les fuites de gaz d'échappement hors du moteur 10.
La deuxième ouverture 165 comprend un orifice de sortie des gaz d'échappement provenant du moteur 10. La deuxième ouverture 165 est positionnée près du dessus de la conduite de l'échangeur de chaleur 70, de telle sorte que les gaz d'échappement peuvent se déplacer en s'éloignant du moteur 10. Le couvercle d'échappement 80 est fixé à la deuxième bride 180 qui entoure, au moins partiellement, la deuxième ouverture 165, et agit de manière à diriger les gaz d'échappement dans la direction souhaitée. Le couvercle d'échappement 80 peut comprendre une tuyère, des vannes de guidage, ou d'autres dispositifs de manipulation des flux qui agissent de manière à diriger ou changer le flux en fonction des besoins. Par exemple, une tuyère pourrait être utilisée pour accélérer Le flux et mieux disperser les gaz d'échappement dans l'atmosphère.
La troisième bride de fixation 185 est dimensionnée et mise en forme afin de s'ajuster avec la bride de fixation d'entrée 130 du cadre de l'échangeur de chaleur 120. Comme précédemment décrit, des boulons facilitent la fixation des composants 60 et 70, d'autres moyens de fixation pouvant être également appropriés. De plus, un joint d'étanchéité peut être utilisé pour améliorer l'étanchéité entre les deux composants 60 et 70, si besoin. Le cadre de l'échangeur de chaleur 120 entoure la troisième ouverture 170 en entier, afin de forcer les gaz d'échappement à passer à travers le module échangeur de chaleur 105 et à retourner à travers la fenêtre 125 pour atteindre la troisième ouverture 170.
En continuant à faire référence à la figure 3, la conduite de l'échangeur de chaleur 70 comprend également un alésage découchant 190, qui définit un axe de volet A-A, un volet d'obturation 195 (illustré sur les figures 5 et 6), et une commande de volet 200. L'alésage débouchant 190 est positionné pour supporter un axe 205 qui supporte le volet 195 à l'intérieur de la conduite de l'échangeur de chaleur 70, de telle sorte que le volet 195 soit mobile entre une position ouverte (illustrée sur la figure 5) et une position fermée (illustrée sur la figure 6). L'axe 205 (montré avec le volet 195 enlevé sur la figure 3) passe à travers l'alésage 190, et supporte le volet 195 pour une rotation autour de l'axe de volet P.-A. Dans certaines constructions, des paliers (par exemple, des paliers à rouleaux, des paliers à aiguilles, des paliers à coussinets, et autres paliers semblables) sont positionnés à chaque extrémité de l'axe 205 afin de réduire la force requise pour mouvoir le volet 195.
La commande de volet 200 comprend un actionneur, tel qu'un vérin hydraulique ou pneumatique 210, qui est mobile entre une position déployée (montrée par des lignes brisées sur les figures 1 et 2), et une position rétractée. Le vérin 210 entraîne un bras de levier 215 solidement fixé à l'axe 205 pour faire tourner le volet 195. Ainsi, lorsque le vérin 210 est déployé, le volet 195 se trouve en position ouverte (figure 5), et lorsque le vérin 210 est rétracté, le volet 195 se trouve en position fermée (figure 6). Dans d'autres constructions, le déploiemencc du vérin 210 ouvre le volet 195, tandis que l'extension du vérin 21C ferme le volet 195. Dans d'autres constructions encore, un actionneur rotatif, tel qu'un moteur électrique, est utilisé pour mouvoir le volet 195. De nombreux actionneurs différents pourraient être utilisés pour positionner le volet 195 comme désiré. De plus, un mécanisme manuel, tel qu'un volant de manoeuvre, pourrait être utilisé plutôt qu'un actionneur à moteur.
La conduite de l'échangeur de chaleur 70 comprend également une pluralité d'éléments d'étanchéité 220 fixés sur la surface interne de ladite conduite 70. Les éléments d'étanchéité 220 du mode de réalisation illustré, se présentent comme des morceaux de cornières en fer qui s'engagent avec le volet 195 dans ses positions d'ouverture et de fermeture extrêmes, et fournissent un joint entre le volet 195 et les parois latérales de la conduite de l'échangeur de chaleur 70.
Comme montré sur la figure 2, le couvercle de fond 75 est fixé sur la bride de sortie 135 du cadre de l'échangeur de chaleur 120, afin d'enclore les divers cheminements de flux de gaz d'échappement. Le couvercle de fond 75 comprend une large ouverture unique, qui est au moins partiellement entourée par une bride de couvercle 225. La bride de couvercle 225 s'engage avec la bride de sortie 135 du cadre de l'échangeur de chaleur 120, à proximité du côté sortie 115 du module échangeur de chaleur 105. Comme pour les autres fixations, des boulons, ou tout autre procédé de fixation approprié, peuvent être utilisés. De plus, un joint d'étanchéité peut être positionné entre le cadre de l'échangeur de chaleur 120 et le couvercle de fond 75, afin d'éviter les fuites indésirables.
Dans certaines constructions, le couvercle de fond 75 comprend des guides ou des vannes de flux qui dirigent le flux dans la direction souhaitée. Cependant, l'invention peut fonctionner sans ces composants.
En utilisation, la turbomachine 10 fonctionne pour produire de l'électricité. En tant que produit dérivé du fonctionnement, le moteur 10 produit un volume significatif de gaz d'échappement chauds. Les gaz d'échappement chauds sortent. du récupérateur 50 et s'écoulent dans la chambre d'échappement 60. Avec le volet 195 configuré en position ouverte (comme montré sur la figure 5), les gaz d'échappement sont dirigés à travers le module échangeur de chaleur 105 afin de chauffer un flux de fluide passant à travers les tubes 85 de l'échangeur de chaleur 60. Le volet 195 crée une paroi mobile à l'intérieur de la conduite de l'échangeur de chaleur 70, qui dirige les gaz d'échappement à travers le module échangeur de chaleur 105 et empêche le flux d'aller directement vers le couvercle d'échappement 80. Après être passés à travers le module échangeur de chaleur 105, les gaz d'échappement se rassemblent dans le couvercle de fond 75 et sont redirigés à travers la fenêtre 125 dans le cadre 120. A partir de la fenêtre 125, le flux rentre dans la conduite de l'échangeur de chaleur 70, sur le côté opposé du volet 195 comme il est entré. Le flux s'écoule ensuite hors du moteur 10, à travers le couvercle d'échappement 80.
Dans les constructions qui emploient un module échangeur de chaleur 105 qui s'étend sur toute la longueur du cadre 120, le flux d'échappement chaud passe deux fois à travers le module échangeur de chaleur 105. D'abord, le flux passé à travers le module 105 vers le couvercle de fond 75, lequel redirige le flux comme précédemment décrit. Cependant, au lieu de passer à travers une fenêtre ouverte 125, le flux passe à nouveau à travers le module échangeur de chaleur 105.
Le fluide étant chauffé par les gaz d'échappement (par exemple, de l'eau), il passe à travers les tubes 85, puis est chauffé par le flux de gaz d'échappement à travers le module 105. Dans de nombreuses applications, le flux de gaz d'échappement est capable est capable de chauffer le flux d'eau de 20 F, ou plus.
Dans de nombreuses constructions, un capteur de température 230 (par exemple, un thermocouple, des commutateurs de température, des thermistors, des capteurs de température à résistance, des pyromètres optiques, des thermomètres à rayonnement, et autres capteurs semblables) est positionné afin de mesurer la température du fluide sortant des tubes 85. Cette valeur de température est comparée avec une valeur de consigne de température qui est entrée par un opérateur, afin de calculer une erreur de température. La. position du volet 195 est automatiquement réglée par le système de contrôle en fonction de l'erreur de température, afin d'obtenir la température de fluide souhaitée à la sortie des tubes 85. Par exemple, si la valeur de consigne de température est de 180 F, et que la température de sortie du fluide est mesurée à 200 F, le système de contrôle signalera à la commande de volet 200 de mouvoir le volet 195 vers la position fermée. Ce mouvement vers la position fermée permet de dériverplus de gaz d'échappement du module échangeur de chaleur 105, abaissant de ce fait la température du fluide à la sortie des tubes 85. De cette manière, le moteur à microturbine 10 est capable de générer à la fois de l'électricité utilisable, et un flux de fluide à une température élevée souhaitée.
Il devrait être clair, à partir de ce qui précède, que le volet 195 peut être positionné n'importe où entre la position d'ouverture totale et la position de fermeture totale. La capacité de positionner le volet 195 permet un accord fin de la température de sortie de l'eau en train d'être chauffée.
Dans d'autres constructions, la position du volet est réglée sans tenir compte de la température mesurée. Ceci résulte en un réchauffement sensiblement non contrôlé du fluide passant à travers les tubes 85 du module échangeur de chaleur 105.
Pour interrompre la cogénération, le vérin 210 déplace le volet 195 en position fermée. En position fermée, le volet 195 bloque le flux vers l'échangeur de chaleur 60 ou provenant de la fenêtre 125. Ainsi, les gaz d'échappement sortant de la chambre de tranquillisation d'échappement 65 s'écoulent directement vers le couvercle d'échappement 80 et hors du moteur 10. Du fait que les gaz d'échappement chauds ne s'écoulent à travers aucune partie d.0 module échangeur de chaleur 105, le module 105 reste relativement froid, et il n'est point besoin de flux de refroidissement. De plus, du fait que c'est un volet 195 relativement léger qui se déplace, plutôt que le module échangeur de chaleur 105, de petits actionneurs peuvent être utilisés avec une fiabilité accrue.
Bien que l'invention ait été décrite en détail en faisant référence à certains modes de réalisation préférés, des variantes et des modifications existent à l'intérieur de la portée et de l'esprit de l'invention telle que décrite.
Claims (20)
1. Moteur à microturbine (10) comprenant: une chambre de combustion (55) capable de fonctionner pour produire un flux de produits de combustion chauds; une turbine (15) tournant en fonction du flux des produits de combustion chauds à travers celle-ci, la turbine déchargeant un flux de gaz d'échappement chauds; un récupérateur (50 recevant le flux des gaz 10 d'échappement chauds et déchargeant un flux de gaz perdus; caractérisé en ce qu'il comprend en outre: un logement d'échangeur de chaleur (70) recevant le flux de gaz perdus, et comprenant un premier passage de flux et un second passage de flux; un échangeur de chaleur (60) disposé à l'intérieur du premier passage de flux; et un élément de commande mobile (200) entre une première position et une seconde position, de telle sorte que lorsque l'élément de commande est disposé dans la première position, le flux de gaz perdus est dirigé le long du premier passage de flux, et lorsque l'élément de commande est disposé dans la seconde position, le flux de gaz perdus est dirigé le long du second passage de flux.
2. Moteur à microturbine selon la revendication 1, caractérisé en ce que la turbine comprend une turbine à admission radiale (35).
3. Moteur à microturbine selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur comprend un échangeur de chaleur à tubes à ailettes (105).
4. Moteur à microturbine selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur est supporté à l'intérieur d'un cadre (120), le cadre étant fixé au logement de l'échangeur de chaleur.
5. Moteur à microturbine selon la revendication 4, caractérisé en ce que le cadre définit une fenêtre ouverte (125), le flux de gaz perdus passant à travers l'échangeur de chaleur dans une première direction, et passant à travers la fenêtre ouverte dans une seconde direction sensiblement opposée à la première direction lorsque l'élément de commande se trouve dans la première position.
6. Moteur à microturbine selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément de commande comprend un volet d'obturation (195) pouvant tourner autour d'un axe en réponse à un mouvement d'un actionneur (210).
7. Moteur à microturbine selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'actionneur (210) comprend un 25 vérin hydraulique.
8. Moteur à microturbine selon une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'un fluide s'écoule à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, la microturbine comprenant en outre un capteur (230) mesurant la température du fluide.
9. Moteur à microturbine selon la revendication 8, comprenant en outre un actionneur capable de déplacer l'élément de commande (200) en réponse à la température mesurée.
10. Dispositif d'échange de chaleur, adapté pour être utilisé avec un moteur à microturbine comprenant un récupérateur qui décharge un flux de gaz d'échappement en fonctionnement, caractérisé en ce qu'il comprend: un logement d'échangeur de chaleur, comportant une première ouverture à travers laquelle le flux de gaz d'échappement entre dans le logement, et une seconde ouverture à travers laquelle les gaz d'échappement sortent du logement; un échangeur de chaleur à l'intérieur du logement d'échangeur de chaleur; et un élément de commande mobile entre une première position et une seconde position, l'élément de commande dirigeant le flux de gaz d'échappement à partir de la première ouverture, à travers l'échangeur de chaleur, et jusqu'à la seconde ouverture lorsqu'il se trouve dans la première position, et à partir de la première ouverture jusqu'à la seconde ouverture sensiblement sans écoulement à travers l'échangeur de chaleur lorsqu'il se trouve dans la seconde position.
11. Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur comprend un échangeur de chaleur à tubes à ailettes.
12. Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur est supporté à l'intérieur d'un cadre, et le cadre est fixé au logement de l'échangeur de chaleur.
13. Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 12, caractérisé en ce que le cadre définit une fenêtre ouverte, le flux de gaz perdus passant à travers l'échangeur de chaleur dans une première direction, et passant à travers la fenêtre ouverte dans une seconde direction sensiblement opposée à la première direction lorsque l'élément de commande se trouve dans la première position.
14. Dispositif d'échange de chaleur selon une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que l'élément de commande comprend un volet d'obturation pouvant tourner autour d'un axe en réponse au mouvement d'un actionneur.
15. Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'actionneur comprend un vérin hydraulique.
16. Dispositif d'échange de chaleur selon une des revendications 10 à 15, caractérisé en ce qu'un fluide s'écoule à l'intérieur de l'échangeur de chaleur, la microturbine comprenant en outre un capteur mesurant la température du fluide.
17. Dispositif d'échange de chaleur selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un actionneur capable de déplacer l'élément de commande en réponse à la température mesurée.
18. Procédé destiné à contrôler la température 30 d'un flux de fluide dans un échangeur de chaleur en utilisant un moteur à microturbine, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: faire fonctionner le moteur afin de produire un flux de gaz chauds; faire passer les gaz chauds à travers un récupérateur afin de réchauffer un flux d'air comprimé ; décharger un flux de gaz d'échappement à partir du récupérateur; diriger le flux de gaz d'échappement jusqu'à un 10 élément de commande; positionner l'élément de commande afin de diriger une partie souhaitée du flux de gaz d'échappement à travers un dispositif de récupération de chaleur; faire passer le flux de fluide à travers le dispositif de récupération de chaleur; détecter la température du flux de fluide; et déplacer l'élément de commande jusqu'à une nouvelle position entre une première position et une seconde position en réponse à la température détectée.
19. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une étape consistant à déterminer une valeur de consigne de température et comparer la valeur de consigne de température avec la température du flux de fluide.
20. Procédé selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'étape du positionnement de l'élément de commande (200) comprend en outre une étape consistant à déplacer un actionneur hydraulique (210).
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