FR2972761A1

FR2972761A1 - METHOD FOR THE MECHANICAL ENERGY TRANSFORMATION OF LOW TEMPERATURE THERMAL ENERGY, AND DEVICE APPLYING

Info

Publication number: FR2972761A1
Application number: FR1152070A
Authority: FR
Inventors: Pierre Convert
Original assignee: HELIOS ENERGY PARTNERS
Current assignee: AQYLON, FR
Priority date: 2011-03-14
Filing date: 2011-03-14
Publication date: 2012-09-21
Also published as: WO2012123500A3; WO2012123500A2

Abstract

Procédé de conversion en énergie mécanique d'une énergie thermique provenant d'une source chaude (2) selon un cycle thermodynamique appliqué à un fluide de travail sec et comprenant les étapes de détendre plusieurs fois le fluide dans des turbines successives selon des transformations thermodynamiques (b1,b2,b3) sensiblement isentropiques de sorte qu'à la sortie des turbines la vapeur est encore sursaturée ; et entre deux détentes, réchauffer le fluide selon des transformations thermodynamiques (b'1,b'2) sensiblement isobares en prélevant de la chaleur à la source chaude.A method of converting thermal energy from a heat source (2) into mechanical energy according to a thermodynamic cycle applied to a dry working fluid and comprising the steps of repeatedly relaxing the fluid in successive turbines according to thermodynamic transformations ( b1, b2, b3) is substantially isentropic so that at the exit of the turbines the steam is still supersaturated; and between two detents, heating the fluid according to thermodynamic transformations (b'1, b'2) substantially isobars by taking heat from the hot source.

Description

1 DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé de transformation en énergie mécanique, pouvant être exploitée pour produire de l'électricité, d'une énergie thermique basse température (typiquement entre 200°C et 300°C) fournie par une source chaude, par exemple par un collecteur solaire, ainsi qu'un dispositif faisant application. FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a method of transformation into mechanical energy that can be exploited to produce electricity, a low temperature thermal energy (typically between 200 ° C and 300 ° C) provided by a source hot, for example by a solar collector, and an application device.

ETAT DE LA TECHNIQUE La conversion de l'énergie thermique d'une source chaude en énergie mécanique, puis potentiellement en électricité, se fait par exemple au moyen de dispositifs mettant en oeuvre un cycle thermodynamique appelé cycle organique de Rankine ou COR. Un tel cycle est représenté à la figure 1 qui est un diagramme température-entropie d'un cycle organique de Rankine connu en soi appliqué à un fluide de travail. Un tel cycle comporte les étapes suivantes : a/ vaporiser le fluide liquide sous une pression dé-terminée, de sorte à obtenir une vapeur sursaturée, en prélevant de la chaleur à la source chaude ; b/ détendre cette vapeur dans une turbine selon une transformation thermodynamique sensiblement isentropi- que de sorte qu'à la sortie de la turbine la vapeur soit encore sursaturée ; c/ en sortie de la turbine, refroidir la vapeur selon une transformation sensiblement isobare jusqu'à une température légèrement supérieure à la température de vapeur saturante ; d/ provoquer la condensation de la vapeur pour liquéfier le fluide ; 2 e/ augmenter la pression du fluide jusqu'à la pression déterminée selon une transformation thermodynamique sensiblement isentropique ; f/ réchauffer le fluide selon une transformation ther- modynamique sensiblement isobare en utilisant au moins une partie de l'enthalpie cédée par la vapeur lors de son refroidissement à l'étape c/ ; Les points sur la courbe du cycle montrent les frontières entre les étapes précitées, qui sont recommen- cées à chaque cycle. Il suffit dès lors de récupérer l'énergie mécanique de la turbine mise en mouvement par la vapeur. Ces cycles sont d'une grande importance dans un grand nombre de technologies. Au premier rang de celles- ci, on peut citer la génération d'électricité à partir de sources d'énergie renouvelable, telles que l'énergie solaire, la géothermie, la biomasse, etc. De telles éner- gies sont généralement coûteuses à récupérer (collec- teurs pour l'énergie solaire, forage pour la géothermie, collecte de matière végétale pour la biomasse, etc.) et ce coût va généralement croissant avec la température de la source chaude employée. A titre d'exemple, les collecteurs solaires sont par exemple plus coûteux et leur rendement diminue à mesure que l'on augmente la température de fonctionnement (ce qui nécessite d'augmenter leur sur-face et donc leur coût total). La chaleur géothermique profonde, l'une des seules capable de fournir une source chaude de haute température, nécessite des forages d'autant plus profonds - et donc plus chers - que l'on veut monter en température. Enfin la plupart des calopor- teurs voient leur prix, leur dangerosité et la complexité 3 de leur maniement augmenter avec leurs températures de fonctionnement. Plutôt que d'exploiter des sources d'énergie à haute température, Il paraît donc intéressant d'augmenter le rendement des cycles adaptés à fonctionner avec une source chaude de température moins élevée et ce, même au prix d'une complexification des dispositifs utilisés. OBJET DE L'INVENTION L'invention a pour objet un procédé de conversion d'énergie thermique issue d'une source chaude à basse température (typiquement 200 à 300 degrés) de rendement amélioré. EXPOSE DE L'INVENTION En vue de la réalisation de ce but, on propose un procédé de conversion en énergie mécanique d'une énergie thermique provenant d'une source chaude selon un cycle thermodynamique appliqué à un fluide de travail sec et comprenant les étapes de : 20 a/ vaporiser le fluide liquide sous une pression dé-terminée de sorte à obtenir une vapeur sursaturée en prélevant de la chaleur à la source chaude; b/ détendre plusieurs fois cette vapeur dans des turbines successives selon des transformations thermody- 25 namiques sensiblement isentropiques de sorte qu'à la sortie des turbines la vapeur est encore sursaturée ; b'/ entre deux détentes, réchauffer le fluide selon des transformations thermodynamiques sensiblement isobares en prélevant de la chaleur à la source chaude ; 30 c/ en sortie de la dernière turbine, refroidir la va- peur selon une transformation sensiblement isobare 15 4 jusqu'à une température légèrement supérieure à la température de vapeur saturante ; d/ provoquer la condensation de la vapeur pour liquéfier le fluide ; e/ augmenter la pression du fluide jusqu'à la pression déterminée selon une transformation thermodynamique sensiblement isentropique ; f/ réchauffer le fluide selon une transformation ther- modynamique sensiblement isobare en utilisant au moins une partie de l'enthalpie cédée de la vapeur refroidie à l'étape c/ ; les étapes étant recommencées à chaque cycle. Il suffit dès lors de récupérer l'énergie mécanique des turbines mises en mouvement par la vapeur, qui peu- vent être liées entre elles ou non. Par « fluide sec », on entend un fluide tel que son entropie augmente avec la température le long d'une partie de la courbe de saturation de vapeur exploitée lors de la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Le carac- tère sec du fluide implique qu'aucune condensation n'est possible lors des détentes dans les turbines. A la sortie des turbines, sauf peut-être de la dernière, le fluide est encore largement sursaturé, ce qui le rend exploitable pour une nouvelle détente. Par exemple, on pourra utiliser un hydrocarbure, comme du pentane ou du toluène. On pourra également utiliser un fluide frigorigène, comme du R245fa. Le réchauffage intermédiaire du fluide entre deux détentes augmente l'exploitabilité du fluide après chaque détente. On ajoute ainsi autant de fois que voulu des étages composés d'une séquence de détente quasi isentro- pique puis de réchauffage quasi isobare. Le rendement global du cycle augmente avec le nombre d'étages. Le coefficient d'expansion global du cycle, c'est-à-dire le rapport de la pression d'entrée de la première turbine à 5 la pression de sortie de la dernière turbine, augmente également avec le nombre d'étage. La pression de sortie de la dernière turbine étant généralement dictée par la température de la source froide (via la pression de va-peur saturante), un surcroît d'expansion peut être obtenu en augmentant la pression en entrée de la première tur- bine, quitte à travailler en régime supercritique. PRESENTATION DES FIGURES L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description qui suit d'un mode particulier de mise en oeu- vre de l'invention en référence, outre à la figure 1 il-lustrant l'état de la technique, aux figures des dessins annexés parmi lesquelles : - la figure 2 est un diagramme température-entropie du cycle thermodynamique du procédé de l'invention se- lon un mode particulier de mise en oeuvre comportant trois détentes ; - la figure 3 est une représentation schématique d'un dispositif convenant pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention ; - la figure 4 est une vue en coupe d'un turbogénérateur intégrant les turbines du dispositif de la figure 1 en un agencement à arbre unique ; - La figure 5 est un schéma d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, utilisant le turbogénérateur de la figure 4. 6 STATE OF THE ART The conversion of the thermal energy of a hot source into mechanical energy, then potentially into electricity, is done for example by means of devices using a thermodynamic cycle called organic Rankine cycle or COR. Such a cycle is shown in FIG. 1 which is a temperature-entropy diagram of an organic Rankine cycle known per se applied to a working fluid. Such a cycle comprises the following steps: a / vaporizing the liquid fluid under a defined pressure, so as to obtain a supersaturated vapor, by taking heat from the hot source; b / relax this steam in a turbine according to a thermodynamic transformation substantially isentropic so that at the outlet of the turbine the steam is still supersaturated; c / at the outlet of the turbine, cooling the vapor in a substantially isobaric process up to a temperature slightly above the saturation vapor temperature; to cause condensation of the vapor to liquefy the fluid; 2 e / increase the pressure of the fluid to the pressure determined according to a substantially isentropic thermodynamic transformation; f / reheating the fluid in a substantially isobaric thermodynamic transformation by using at least a portion of the heat-transferred enthalpy when cooling it to step c /; The points on the cycle curve show the boundaries between the above steps, which are repeated each cycle. It is therefore sufficient to recover the mechanical energy of the turbine set in motion by the steam. These cycles are of great importance in a large number of technologies. At the forefront of these are the generation of electricity from renewable energy sources, such as solar energy, geothermal energy, biomass, and so on. Such energies are usually expensive to recover (collectors for solar energy, drilling for geothermal energy, collection of plant material for biomass, etc.) and this cost generally increases with the temperature of the hot spring used. . For example, solar collectors are for example more expensive and their efficiency decreases as the operating temperature is increased (which requires increasing their sur-face and therefore their total cost). The deep geothermal heat, one of the only ones capable of providing a hot source of high temperature, requires drilling all the more profound - and therefore more expensive - that we want to raise the temperature. Finally, most heat exchangers see their price, their dangerousness and the complexity of their handling increase with their operating temperatures. Rather than exploiting energy sources at high temperature, It therefore seems advantageous to increase the efficiency of cycles adapted to operate with a lower temperature hot source, even at the cost of a complexification of the devices used. OBJECT OF THE INVENTION The subject of the invention is a method of converting thermal energy from a hot source at low temperature (typically 200 to 300 degrees) of improved efficiency. SUMMARY OF THE INVENTION With a view to achieving this object, a method is proposed for converting into thermal energy a thermal energy coming from a heat source according to a thermodynamic cycle applied to a dry working fluid and comprising the steps of To vaporize the liquid fluid under a defined pressure so as to obtain a supersaturated vapor by drawing heat from the hot source; b) to multiply this steam several times in successive turbines according to substantially isentropic thermodynamic transformations so that at the exit of the turbines the steam is still supersaturated; b '/ between two detents, warm the fluid in substantially isobaric thermodynamic transformations by taking heat from the hot source; 30 c / at the outlet of the last turbine, cooling the vapor according to a substantially isobaric transformation 4 to a temperature slightly above the saturation vapor temperature; to cause condensation of the vapor to liquefy the fluid; e / increasing the pressure of the fluid to the pressure determined according to a substantially isentropic thermodynamic transformation; f) heating the fluid to a substantially isobaric thermodynamic transformation using at least a portion of the cooled enthalpy of the vapor cooled in step c; the steps being repeated each cycle. It is then sufficient to recover the mechanical energy of the turbines set in motion by the steam, which can be linked together or not. By "dry fluid" is meant a fluid such that its entropy increases with temperature along a portion of the steam saturation curve used in carrying out the process of the invention. The dry nature of the fluid means that no condensation is possible during the turbines. At the exit of the turbines, except perhaps the last, the fluid is still largely oversaturated, which makes it usable for a new relaxation. For example, a hydrocarbon such as pentane or toluene may be used. It will also be possible to use a refrigerant, such as R245fa. Intermediate reheating of the fluid between two detents increases the operability of the fluid after each expansion. Stages composed of an almost isentropic expansion sequence and then quasi-isobaric reheating are thus added as many times as desired. The overall efficiency of the cycle increases with the number of stages. The overall cycle expansion coefficient, i.e., the ratio of the inlet pressure of the first turbine to the outlet pressure of the last turbine, also increases with the number of stages. Since the outlet pressure of the last turbine is generally dictated by the temperature of the cold source (via the saturated vapor pressure), an increase in expansion can be obtained by increasing the inlet pressure of the first turbine, leave to work in supercritical regime. PRESENTATION OF THE FIGURES The invention will be better understood in the light of the following description of a particular mode of implementation of the invention with reference, in addition to FIG. 1, illustrating the state of the art, FIG. 2 is a temperature-entropy diagram of the thermodynamic cycle of the method of the invention according to a particular mode of implementation comprising three detents; FIG. 3 is a schematic representation of a device that is suitable for carrying out the method of the invention; FIG. 4 is a sectional view of a turbine generator integrating the turbines of the device of FIG. 1 into a single-shaft arrangement; FIG. 5 is a diagram of a device for carrying out the method of the invention, using the turbogenerator of FIG.

- la figure 6 est une vue en coupe d'une variante du turbogénérateur regroupant les turbines selon un arrangement de type épicyclique ; - La figure 7 est un schéma d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, utilisant le turbogénérateur de la figure 6. DESCRIPTION DETAILLEE Le cycle de Rankine modifié selon l'invention est illustré à la figure 2. Sur cette figure, on reconnaît les étapes a/,c/,d/,e/,f/ déjà décrites à propos du cycle de la figure 1. Cependant, l'étape b/ de détente dans la turbine est maintenant remplacée par une série de déten- tes, ici trois détentes sensiblement isentropiques b1/,b2/, b3/ dans trois turbines successives qui sont telles qu'à la sortie des turbines la vapeur est encore sursaturée. Ces détentes sont séparées par des réchauffements b'1/, b'2/ sensiblement isobares. De préférence, chacun des réchauffements b'1/,b'2/ fait remonter la température de la vapeur à la tempéra- ture T'e qui était la sienne en entrée de la première turbine. La chaleur permettant de vaporiser le fluide de travail à l'étape a/ et de réchauffer la vapeur aux étapes b'1/,b'2/ est fournie par une source chaude, par exemple un fluide caloporteur chauffé par un collecteur solaire. La répétition des étapes de détente et de réchauffage permet de récupérer une énergie mécanique équivalente à celle récupée à l'aide du cycle de la figure 1, bien que chacune des détentes b1/,b2/,b3/ soit moins importante que la détente b/ du cycle de la figure 1, et tout en 7 conduisant à une température T's de la vapeur en sortie de la dernière turbine bien plus importante que la température Ts de la vapeur en sortie de la turbine sur le cycle de la figure 1. L'enthalpie de la vapeur qui est cé- dée à l'étape c/ (indiquée par la double flèche verticale) et qui est utilisée pour chauffer le fluide de travail à l'étape f/ est ainsi bien plus importante dans le cycle de l'invention que dans le cycle de la figure 1, et l'efficacité du cycle thermodynamique s'en trouve amélio- rée. On remarquera par ailleurs que la température T'e de la vapeur à l'entrée de la première turbine est moins élevée que la température Te de la vapeur à l'entrée de la turbine dans le cycle de la figure 1. Ainsi, la tempé- rature du fluide de travail reste dans une fourchette étroite tout le long des étapes répétées de détente et de réchauffage, de sorte que l'on peut qualifier cette phase du cycle de quasi isotherme. Ainsi, plutôt que d'absorber en une seule fois une quantité importante de chaleur lors de la vaporisation du fluide de travail, le cycle de l'invention propose plu-sieurs phases d'absorption de chaleur (à savoir l'étape de vaporisation a/ et les étapes de réchauffement b'1/, b'2/) lors desquelles la température du fluide de travail varie peu, de sorte que seule une quantité modérée de chaleur est tirée de la source chaude et absorbée par le fluide de travail à chacune de ces étapes. Le cycle thermodynamique de l'invention est dès lors bien adapté à des sources chaudes à basse tempéra- ture de type solaire pour lesquelles la transmission d'énergie thermique est fondamentalement différente de la 8 plupart des dispositifs thermodynamiques de génération de puissance utilisant des sources chaudes. En effet cette transmission d'énergie est de nature radiative entre le soleil et le collecteur sur terre, alors que dans la plu- part des autres cas elle est plutôt de nature conductoconvective au sein d'un échangeur de chaleur au contact de la source chaude, directement ou par l'intermédiaire d'un fluide caloporteur (combustion de combustibles fossiles ou renouvelables, géothermie, nucléaire). Ainsi, la température maximale d'un fluide caloporteur chauffé par un collecteur solaire est forcément limitée. Le cycle thermodynamique de l'invention permet de surmonter le classique antagonisme entre l'efficacité croissante des cycles thermodynamiques avec la tempéra- ture maximale du fonctionnement (l'efficacité des cycles thermodynamiques -Rankine, Brayton, Striling, etc.- a tendance à augmenter avec l'amplitude des températures atteintes par le fluide de travail, ce qui pousse généralement à chercher des sources chaudes toujours plus chau- des) et l'efficacité décroissante des collecteurs avec leur température de fonctionnement. Cet antagonisme est dépassé par l'utilisation de pression plus importante et d'une répétition de détentes isentropiques et de réchauffages isobares qui permettent une détente quasi- isotherme. Par ailleurs, les températures de la vapeur en entrée des turbines sont relativement faibles en comparai-son de la température maximale atteinte par le fluide de travail dans un cycle selon la figure 1 et ayant une ef- ficacité de la transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique similaire. La température moyenne des 9 phases endothermiques du cycle de l'invention est ainsi plus basse, ce qui permet de se contenter d'une température dans le fluide caloporteur issu du collecteur solaire plus basse, sans perte de rendement du cycle. En outre, puisque l'efficacité d'un collecteur décroît avec sa température de fonctionnement, l'abaissement de la température du fluide issu du collecteur solaire augmente l'efficacité de la conversion de l'énergie solaire en énergie mécanique. - Figure 6 is a sectional view of a variant of the turbine generator grouping the turbines in an epicyclic type arrangement; FIG. 7 is a diagram of a device for carrying out the method of the invention, using the turbo generator of FIG. 6. DETAILED DESCRIPTION The modified Rankine cycle according to the invention is illustrated in FIG. this figure, we recognize the steps a /, c /, d /, e /, f / already described about the cycle of Figure 1. However, the step b / relaxation in the turbine is now replaced by a series of detainees, here three substantially isentropic detents b1 /, b2 /, b3 / in three successive turbines which are such that at the exit of the turbines the steam is still supersaturated. These relaxes are separated by b'1 /, b'2 / substantially isobaric reheating. Preferably, each of the heating b'1 /, b'2 / raises the temperature of the steam to the temperature T'e which was hers at the inlet of the first turbine. The heat for vaporizing the working fluid in step a / and reheating the steam in steps b'1 /, b'2 / is provided by a hot source, for example a heat transfer fluid heated by a solar collector. The repetition of the relaxation and reheating steps makes it possible to recover a mechanical energy equivalent to that recovered using the cycle of FIG. 1, although each of the detents b1 /, b2 /, b3 / is less important than the expansion b / of the cycle of Figure 1, and while 7 leading to a temperature T's of the steam at the outlet of the last turbine much larger than the temperature Ts of the steam at the outlet of the turbine on the cycle of Figure 1. L enthalpy of the steam which is given in step c / (indicated by the double vertical arrow) and which is used to heat the working fluid in step f / is thus much more important in the cycle of the invention in the cycle of Figure 1, and the efficiency of the thermodynamic cycle is improved. It will also be noted that the temperature T'e of the steam at the inlet of the first turbine is lower than the temperature Te of the steam at the inlet of the turbine in the cycle of FIG. The working fluid gap remains in a narrow range throughout the repeated relaxation and reheat steps, so that this phase of the quasi-isothermal cycle can be described. Thus, rather than absorbing a large amount of heat at one time during vaporization of the working fluid, the cycle of the invention provides for several heat absorption phases (i.e. and the heating steps b'1 /, b'2 /) during which the temperature of the working fluid varies little, so that only a moderate amount of heat is drawn from the hot source and absorbed by the working fluid at each of these steps. The thermodynamic cycle of the invention is therefore well suited to solar-type low temperature hot springs for which the heat energy transmission is fundamentally different from most thermodynamic power generation devices using hot springs. . In fact, this transmission of energy is of a radiative nature between the sun and the collector on earth, whereas in most other cases it is rather of a conductoconvective nature within a heat exchanger in contact with the hot spring. , directly or through a coolant (combustion of fossil or renewable fuels, geothermal, nuclear). Thus, the maximum temperature of a heat transfer fluid heated by a solar collector is necessarily limited. The thermodynamic cycle of the invention makes it possible to overcome the classic antagonism between the increasing efficiency of thermodynamic cycles with the maximum temperature of operation (the efficiency of thermodynamic cycles -Rankine, Brayton, Striling, etc.- tends to increase with the amplitude of the temperatures reached by the working fluid, which generally leads to the search for ever hotter hot springs) and the decreasing efficiency of the collectors with their operating temperature. This antagonism is surpassed by the use of greater pressure and a repetition of isentropic relaxation and isobaric reheating which allow a quasi-isothermal relaxation. On the other hand, the steam inlet temperatures of the turbines are relatively low compared with the maximum temperature reached by the working fluid in a cycle according to FIG. 1 and having an efficiency of the thermal energy transformation. in similar mechanical energy. The average temperature of the 9 endothermic phases of the cycle of the invention is thus lower, which makes it possible to be content with a temperature in the heat transfer fluid from the lower solar collector, without loss of efficiency of the cycle. In addition, since the efficiency of a collector decreases with its operating temperature, the lowering of the temperature of the fluid from the solar collector increases the efficiency of the conversion of solar energy into mechanical energy.

Le principe du cycle thermodynamique de l'invention et ses avantages étant maintenant décrits, un dispositif spécialement adapté à mettre en oeuvre ledit cycle est maintenant décrit en référence à la figure 3. Le dispositif comporte un circuit fermé 1 dans lequel circule un fluide de travail sec subissant le cycle thermodynamique de l'invention. Le dispositif comporte par ailleurs un circuit ouvert 2 dans lequel circule un fluide caloporteur formant la source chaude du dispositif, par exemple un fluide chauffé par le soleil, ou un fluide géothermique. Un vaporisateur 11 permet de réaliser l'étape a/ de vaporisation du fluide de travail. Le fluide de travail pénètre à l'état liquide dans le vaporisateur 11 et capte de la chaleur apportée par le fluide de la source chaude circulant à proximité d'un échangeur de chaleur. Le fluide de travail est alors vaporisé grâce à la chaleur apportée par le fluide caloporteur. Cette vapeur est amenée en entrée d'une première turbine 12.1 dans laquelle la vapeur est détendue selon l'étape b1/ du cycle de l'invention. 10 Puis la vapeur ainsi détendue (mais encore sursaturée) est amenée en entrée d'un premier réchauffeur 13.1 dans laquelle la vapeur est réchauffée jusqu'à la température Te d'entrée dans la première turbine 12.1, selon l'étape b'1/ du cycle de l'invention, grâce à la chaleur apportée par le fluide caloporteur du circuit 2. Cette vapeur est amenée en entrée d'une deuxième turbine 12.2 dans laquelle la vapeur est détendue selon l'étape b2/ du cycle de l'invention. The principle of the thermodynamic cycle of the invention and its advantages being now described, a device specially adapted to implement said cycle is now described with reference to Figure 3. The device comprises a closed circuit 1 in which circulates a working fluid dry undergoing the thermodynamic cycle of the invention. The device also comprises an open circuit 2 in which circulates a heat transfer fluid forming the hot source of the device, for example a fluid heated by the sun, or a geothermal fluid. A vaporizer 11 makes it possible to carry out stage a / vaporization of the working fluid. The working fluid enters the liquid state in the vaporizer 11 and captures the heat provided by the fluid of the hot source flowing in the vicinity of a heat exchanger. The working fluid is then vaporized thanks to the heat provided by the coolant. This steam is fed to the inlet of a first turbine 12.1 in which the steam is expanded according to step b1 / of the cycle of the invention. Then the vapor thus relaxed (but still supersaturated) is fed to the inlet of a first heater 13.1 in which the steam is heated up to the inlet temperature Te in the first turbine 12.1, according to step b'1 / of the cycle of the invention, thanks to the heat provided by the coolant of the circuit 2. This steam is fed to the inlet of a second turbine 12.2 in which the steam is expanded according to step b2 / of the cycle of the invention .

Puis la vapeur ainsi détendue (mais encore sursaturée) est amenée en entrée d'un deuxième réchauffeur 13.2 dans laquelle la vapeur est réchauffée jusqu'à la température Te d'entrée dans la première turbine 12.1 selon l'étape b'2/ du cycle de l'invention, grâce à la chaleur apportée par le fluide caloporteur du circuit 2 Cette vapeur est amenée en entrée d'une troisième turbine 12.3 dans laquelle la vapeur est détendue selon l'étape b3/ du cycle de l'invention. Puis cette vapeur ainsi détendue (mais encore sur- saturée) est amenée en entrée d'une première branche d'un échangeur de chaleur 14 dans lequel elle se refroidit jusqu'à une température légèrement supérieure à la température de pression saturante selon l'étape c/ du cycle de l'invention. L'enthalpie cédée par la vapeur lors de ce refroidissement sera exploitée comme détaillé plus loin. Puis cette vapeur refroidie est amenée en entrée d'un condenseur 15 provoquant la liquéfaction du fluide de travail selon l'étape d/ du cycle de l'invention. Puis le fluide de travail est amené en entrée d'un compresseur 16 qui comprime le fluide pour en augmenter sa pression selon l'étape e/ du cycle de l'invention. 11 Enfin, le fluide de travail est amenée en entrée d'une deuxième branche de l'échangeur de chaleur 14 dans lequel le fluide de travail est réchauffé selon l'étape f/ du cycle de l'invention grâce à l'enthalpie dégagée par la vapeur circulant dans la première branche de l'échangeur 14. Les deux branches de l'échangeur 14 sont bien sûr isolées l'une de l'autre mais permettent un transfert de chaleur de l'une à l'autre. Tous les éléments précités sont reliés par des ca- nalisations thermiquement isolées pour constituer le cir- cuit fermé 2. Il suffira dès lors de récupérer l'énergie mécanique des turbines pour par exemple actionner un alternateur électrique. Then the vapor thus relaxed (but still supersaturated) is brought into the inlet of a second heater 13.2 in which the steam is heated up to the inlet temperature Te in the first turbine 12.1 according to step b'2 / of the cycle of the invention, thanks to the heat provided by the coolant of the circuit 2 This steam is fed to the inlet of a third turbine 12.3 in which the steam is expanded according to step b3 / cycle of the invention. Then this vapor, which is thus expanded (but still oversaturated), is brought into the inlet of a first branch of a heat exchanger 14 in which it cools to a temperature slightly above the saturation pressure temperature according to step c / of the cycle of the invention. The enthalpy yielded by the steam during this cooling will be exploited as detailed below. Then this cooled vapor is fed to the inlet of a condenser 15 causing liquefaction of the working fluid according to step d / of the cycle of the invention. Then the working fluid is fed to the inlet of a compressor 16 which compresses the fluid to increase its pressure according to step e / cycle of the invention. Finally, the working fluid is fed into a second branch of the heat exchanger 14 in which the working fluid is heated according to step f / of the cycle of the invention thanks to the enthalpy released by the steam flowing in the first branch of the exchanger 14. The two branches of the exchanger 14 are of course isolated from one another but allow heat transfer from one to the other. All the aforementioned elements are connected by thermally insulated pipelines to form the closed circuit 2. It will then be sufficient to recover the mechanical energy of the turbines for example to drive an electric alternator.

Dans un exemple de cycle à 3 turbines fonctionnant avec du fluide R245fa, les températures, pressions, enthalpies et entropies ont les valeurs suivantes à l'issue de chacune des étapes : A l'issue Température Pression Enthalpie Entropie de : (en °C) (en bar) (en (en kJ. kg- kJ.kg-1) 1.K-1) a 200 59, 0 539, 0 1, 89 b1 169 32,8 531,3 1,89 b' 1 200 32, 6 577, 2 1, 99 b2 172 13,6 560,8 2,00 b'2 200 13,4 595,3 2,08 b3 168 3,3 565,8 2,09 c 59 3, 3 329, 4 1, 79 d 48 3, 3 263, 5 1, 21 e 51 60,0 269,1 1,22 f 129 59,5 384,1 1,53 12 Le rendement d'un tel cycle est de 20,4% en tenant compte des pertes de charge dans les échangeurs de chaleur ainsi que d'un rendement théorique des turbines de 80%. Dans un exemple de cycle à 2 turbines fonctionnant avec du fluide pentane, les températures, pressions, enthalpies et entropies ont les valeurs suivantes à l'issue de chacune des étapes : A l'issue Température Pression Enthalpie Entropie de : (en °C) (en bar) (en (en kJ. kg- kJ.kg-1) 1.K-1) a 200 33,0 592,3 1,45 b1 153 11,0 562,3 1,47 b'1 200 10,8 681,0 1,73 b2 161 1,6 607,0 1,78 c 54 1,6 387,0 1,20 d 48 1, 6 28, 7 0, 09 e 50 34,0 35,4 0,09 f 133 33, 5 255, 4 0, 70 Le rendement d'un tel cycle est de 21,4% en tenant compte des pertes de charge dans les échangeurs de chaleur ainsi que d'un rendement théorique des turbines de 80%. 15 A la figure 4 est illustré un exemple de turbogénérateur 20 utilisable dans le cadre de l'invention. Le turbogénérateur 20 comporte un carter 21 recevant un en-semble tournant 22 portant les trois turbines 12.1, 12.2, 20 12.3 qui sont ici de type radial et qui sont toutes soli-10 13 daires d'un même arbre tournant 23 dont l'extrémité (coupée sur la figure) peut être utilisée pour par exemple entraîner un alternateur électrique. Le carter 21 comporte des formes internes aérodynamiques et comporte des ports d'entrée et de sortie (non représentés ici) pour l'admission de la vapeur dans le turbogénérateur, pour la circulation du fluide de travail dans les réchauffeurs 13.1 et 13.2 entre les turbines, et pour la sortie de la vapeur vers l'échangeur 14. In an example of a 3-turbine cycle operating with R245fa fluid, the temperatures, pressures, enthalpies and entropies have the following values at the end of each step: At the end Temperature Pressure Enthalpy Entropy of: (in ° C) (in bar) (in (in kJ.kg-kJ.kg-1) 1.K-1) a 200 59, 0 539, 0 1, 89 b1 169 32.8 531.3 1.89 b '1200 32, 6 577, 2 1, 99 b2 172 13.6 560.8 2.00 b'2 200 13.4 595.3 2.08 b3 168 3.3 565.8 2.09 c 59 3, 3 329 , 4 1, 79 d 48 3, 3 263, 5 1, 21 e 51 60.0 269.1 1.22 f 129 59.5 384.1 1.53 12 The yield of such a cycle is 20, 4% taking into account the pressure drop in the heat exchangers as well as a theoretical turbine efficiency of 80%. In an example of a 2-turbine cycle operating with pentane fluid, the temperatures, pressures, enthalpies and entropies have the following values at the end of each of the steps: At the end Temperature Pressure Enthalpy Entropy of: (in ° C) (in bar) (in (in kJ.kg-kJ.kg-1) 1.K-1) to 200 33.0 592.3 1.45 b1 153 11.0 562.3 1.47 b'1 200 10.8 681.0 1.73 b2 161 1.6 607.0 1.78 c 54 1.6 387.0 1.20 d 48 1, 6 28, 7 0, 09 e 50 34.0 35.4 0.09 f 133 33, 255, 40, 70 The efficiency of such a cycle is 21.4%, taking into account the pressure drops in the heat exchangers as well as a theoretical efficiency of the turbines of 80.degree. %. In Figure 4 is illustrated an example of a turbine generator 20 usable in the context of the invention. The turbo-generator 20 comprises a casing 21 receiving a rotating assembly 22 carrying the three turbines 12.1, 12.2, 12.3 which are here of radial type and which are all soli-13 of a same rotating shaft 23 whose end (cut in the figure) can be used for example to drive an electric alternator. The housing 21 has aerodynamic internal shapes and has inlet and outlet ports (not shown here) for the admission of steam into the turbogenerator, for the circulation of the working fluid in the heaters 13.1 and 13.2 between the turbines , and for the steam outlet to the exchanger 14.

A la figure 5 est illustré un dispositif pour la mise en oeuvre du cycle selon l'invention utilisant le turbogénérateur 20 de la figure 4. Sur cette figure, on reconnaît le turbogénérateur 20 associé à un alternateur 24. On reconnaît également les réchauffeurs 13.1 et 13.2 dans lesquels la vapeur est réchauffée après respective-ment une détente dans la turbine 12.1 et 12.2. On reconnaît encore l'échangeur 14, ainsi que le vaporisateur 11. A la figure 6 est illustré un autre turbogénérateur 30 utilisable dans le cadre de l'invention. Celui-ci corn- porte un carter 31 portant un arbre central 32 ayant dont l'extrémité coupée entraîne un alternateur non représenté ici. L'arbre central 32 comporte un planétaire 33 engrenant avec des pignons 34 solidaires respectivement d'arbres satellites respectifs 35 portant chacun deux turbines, respectivement 12.1 et 12.2 pour le premier arbre satellite 35, et 12.3 et 12.4 pour le deuxième arbre satellite 35. Les quatre turbines sont donc toutes solidaires en rotation de l'arbre central 32, selon un agencement général de type épicyclique. Il ne serait pas dif- ficile de rajouter un arbre satellite supplémentaire por- tant à nouveau deux turbines. 14 A la figure 7 est illustré un dispositif pour la mise en oeuvre du cycle de l'invention utilisant le turbo-générateur 30 de la figure 6. Bien évidemment, le cycle mis en oeuvre grâce à ce turbogénérateur comporte quatre détentes alternées avec trois réchauffages. Sur la figure, on reconnaît les réchauffeurs 13.1, 13.2, 13.3 dans lesquelles la vapeur circule respectivement entre les turbines 12.1 et 12.2, entre les turbines 12.2 et 12.3 et enfin entre les turbines 12.3 et 12.4. FIG. 5 illustrates a device for implementing the cycle according to the invention using the turbine generator 20 of FIG. 4. In this figure, the turbine generator 20 associated with an alternator 24 is recognized. Heaters 13.1 and 13 are also recognized. 13.2 in which the steam is heated after respectively-ment an expansion in the turbine 12.1 and 12.2. The exchanger 14 and the vaporizer 11 are still recognized. FIG. 6 illustrates another turbine generator 30 that can be used in the context of the invention. It comprises a housing 31 carrying a central shaft 32 having whose cut end drives an alternator not shown here. The central shaft 32 comprises a sun gear 33 meshing with pinions 34 secured respectively to respective planet shafts 35 each carrying two turbines, respectively 12.1 and 12.2 for the first satellite shaft 35, and 12.3 and 12.4 for the second satellite shaft 35. four turbines are all integral in rotation of the central shaft 32, according to a general arrangement of the epicyclic type. It would not be difficult to add an extra satellite shaft carrying two turbines again. FIG. 7 illustrates a device for implementing the cycle of the invention using the turbo-generator 30 of FIG. 6. Of course, the cycle implemented by means of this turbo generator comprises four alternating detents with three reheatings. . In the figure, one recognizes the heaters 13.1, 13.2, 13.3 in which the steam circulates respectively between the turbines 12.1 and 12.2, between the turbines 12.2 and 12.3 and finally between the turbines 12.3 and 12.4.

L'invention n'est pas limitée à ce qui vient d'être décrit, mais englobe au contraire toute variante entrant dans le cadre défini par les revendications. En particulier, bien que dans les exemples illustrés, le nombre de détentes et de turbines associées soit de 3 ou 4, le nombre de détentes et par conséquent le nombre de turbines utilisées dépendra bien sûr de l'application envisagée, allant de 2 à un nombre plus important si nécessaire. En outre, bien que dans les exemples illustrés, les turbines soient du type radial, l'invention n'est pas limitée à l'utilisation de ce type de turbine, et des turbines axiales pourront être également utilisées. Les turbines pourront comporter des aubes statoriques à incidence réglable. The invention is not limited to what has just been described, but on the contrary covers any variant within the scope defined by the claims. In particular, although in the illustrated examples, the number of detents and associated turbines is 3 or 4, the number of detents and therefore the number of turbines used will of course depend on the intended application, ranging from 2 to 1 larger number if necessary. In addition, although in the examples illustrated, the turbines are of the radial type, the invention is not limited to the use of this type of turbine, and axial turbines may also be used. The turbines may comprise stator blades with adjustable incidence.

De plus, bien que dans les exemples illustrés, toutes les turbines sont solidaires en rotation d'un même arbre (soit directement, soit via des liaisons à engrenages ou autres), on pourra choisir de laisser les turbines mécaniquement indépendantes, en accouplant par exemple chaque turbine à un alternateur propre. 15 De surcroît, dans un cycle à n-turbines, il est possible à tout moment de sauter une étape « turbine - ré-chauffe » pour transformer le cycle thermodynamique en un cycle à n-1 turbines, selon les conditions extérieures. In addition, although in the illustrated examples, all the turbines are integral in rotation of one and the same shaft (either directly or via gear links or other), it will be possible to choose to leave the turbines mechanically independent, by coupling for example each turbine to a clean alternator. Moreover, in an n-turbine cycle, it is possible at any time to skip a "turbine-reheat" stage to transform the thermodynamic cycle into an n-1 turbine cycle, depending on the external conditions.

Bien que plus spécialement adapté à l'extraction d'énergie d'une source chaude à basse température, on pourra bien évidemment utiliser le cycle de l'invention pour extraire de l'énergie de toute source chaude. Enfin, l'invention couvre l'utilisation du cycle de l'invention à l'inverse de ce qui a été décrit ici. Il est bien sûr possible de réaliser la conversion d'une énergie mécanique, utilisée pour entraîner les turbines, en énergie thermique en suivant à l'envers le cycle de l'invention. Dans ce cas, les turbines sont utilisées en compresseurs. Les étapes de détente deviennent des étapes de compression, les étapes de réchauffage deviennent des étapes de refroidissement (lors desquelles de la chaleur du fluide de travail est cédée au profit de l'extérieur), les étapes de vaporisation deviennent des étapes de li- quéfaction et inversement. Although more particularly adapted to the extraction of energy from a hot source at low temperature, it will obviously be possible to use the cycle of the invention to extract energy from any hot source. Finally, the invention covers the use of the cycle of the invention in contrast to what has been described here. It is of course possible to convert a mechanical energy used to drive the turbines into thermal energy by following the cycle of the invention in reverse. In this case, the turbines are used in compressors. The expansion steps become compression steps, the reheating steps become cooling steps (during which heat from the working fluid is transferred to the outside), the vaporization steps become leaching steps. and vice versa.

Claims

REVENDICATIONS1. A method of converting thermal energy from a heat source (2) into mechanical energy according to a thermodynamic cycle applied to a dry working fluid and comprising the steps of: a / vaporizing the liquid fluid (11) under a predetermined pressure so as to obtain a supersaturated vapor by taking heat from the hot source; b / multiply this steam several times in successive turbines (12.1, 12.2, 12.3) according to thermodynamic transformations (bl, b2, b3) substantially isentropic so that at the exit of the turbines the va-fear is still supersaturated; b '/ between two detents, warming the fluid (13.1, 13.2) according to thermodynamic transformations (b'1, b'2) substantially isobars by taking heat from the hot source; c / at the outlet of the last turbine, cooling the vapor (14) in a substantially isobaric transformation to a temperature slightly above the saturation vapor temperature; d / causing the condensation of the vapor (15) to liquefy the fluid; e / increasing the pressure of the fluid (16) to the pressure determined according to a substantially isentropic thermodynamic transformation; f / heating the fluid (14) in a substantially isobaric thermodynamic transformation using at least a portion of the enthalpy yielded by the vapor cooled in step c /; the steps being repeated each cycle.

2. Device for implementing the method of claim 1, comprising the following elements, interconnected by pipes to form a closed circuit in which circulates the working fluid: - a vaporizer (11) for the implementation implementation of step a /; turbines (12.1, 12.2, 12.3, 12.4) for implementing step b; - Between the turbines, heaters (13.1, 13.2, 13.3) for the implementation of step b '/; - A heat exchanger (14) for the implementation of steps c / and f /; a condenser (15) for the implementation of step d /; a compressor (16) for implementing step e /.

3. Device according to claim 2, wherein the working fluid used is a hydrocarbon, especially pentane, toluene.

4. Device according to claim 2, wherein the working fluid used is a refrigerant, including R245fa.

5. Device according to claim 2, wherein the turbines are all carried by the same shaft (23) forming a mechanical grip of the device.

6. Device according to claim 2, wherein the turbines are carried two by two by satellite shafts (35) all cooperating in rotation with a central shaft (32) forming a mechanical grip of the device.

7. Device according to claim 2, wherein the device n turbines can be converted into n-1 turbines device by removing a step "turbine - reheat"

8. Device according to claim 2, wherein the fluid used is a refrigerant type R245fa and wherein at the end of the successive steps, a, b1, b'l, b2, b'2, b3, c, d , e, f, its characteristics are respectively and approximately: At the end Temperature Pressure Enthalpy Entropy of: (in ° c) (in bar) (in (in kJ.kg-kJ.kg-1) 1.K-1 ) a 200 59, 0 539, 0 1, 89 bl 169 32.8 531.3 1.89 b'1 200 32.6 577.2 1.99 b2 172 13.6 560.8 2.00 b'2 200 13.4 595.3 2.08 b3 168 3.3 565.8 2.09 c 59 3, 3 329, 4 1, 79 d 48 3.3 263.5 1.21 e 51 60.0 269, 1 1.22 f 129 59.5 384.1 1.53

9. Device according to claim 2, wherein the fluid used is a hydrocarbon pentane type and wherein at the end of the successive stages, a, b1, b'l, b2, c, d, e, f, its characteristics. are respectively and approximately: At the end Temperature Pressure Enthalpy Entropy of: (in ° c) (in bar) (in (in kJ.kg-kJ.kg-1) 1.K-1) a 200 33.0 592 , 3 1.45 bl 153 11, 0 562, 3 1, 47b'1 200 10.8 681.0 1.73 b2 161 1.6 607.0 1.78 c 54 1.6 387.0 1.20 d 48 1.6 28.7 0.09 e 50 34.0 35.4 0.09 f 133 33.5 255.4 0.70