FR3003341A1

FR3003341A1 - Systeme et processus de refroidissement d'un moteur de pompe de fluide de travail etm

Info

Publication number: FR3003341A1
Application number: FR1452105A
Authority: FR
Inventors: Eugene C Jansen; Benjamin S Balbir
Original assignee: Lockheed Corp; Lockheed Martin Corp
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2014-03-13
Publication date: 2014-09-19
Also published as: SE1551303A1; TW201447201A; JP2016512298A; GB201404272D0; GB2515144B; US20140260248A1; CN105164411B; PH12015501971A1; US9366238B2; GB2515144A; CN105164411A; DE112014001294T5; AU2014249474A1; WO2014164317A1

Abstract

Un système et un processus de refroidissement dans un système ETM où le liquide de travail sous-refroidi de la sortie de pompe à fluide de travail est utilisé pour refroidir le moteur d'une pompe à fluide de travail (114), directement ou indirectement par l'intermédiaire de l'échange de chaleur avec un fluide secondaire. La chaleur du moteur qui est rejetée dans le fluide de travail juste avant que le fluide de travail s'écoule dans l'évaporateur (110-1) aide à alléger la charge de chaleur dans l'évaporateur (110-1), ce qui signifie plus de potentiel pour que l'évaporateur (110-1) crée de l'énergie. Du fait que des évaporateurs à deux phases, sont moins efficaces que les échangeurs de chaleur à une phase pour un chauffage à une phase, ce préchauffage du fluide de travail aide de manière substantielle les performances d'évaporateur (110-1 ).

Description

Cette invention se rapporte à un système de conversion d'énergie thermique des océans (OTEC) ou d'énergie thermique des mers (ci-après ETM), et au refroidissement d'un moteur de pompe à fluide de travail utilisé dans le système ETM. Dans un système ETM conventionnel, de nombreux composants sont disposés au-dessous de la ligne de flottaison. Un de ces composants est l'échangeur de chaleur de condenseur de fluide de travail. Du fait de la hauteur d'aspiration positive nette exigée, les pompes à fluide de travail doivent se trouver au-dessous des condenseurs, et les pompes à fluide de travail doivent ainsi également se trouver au-dessous de la ligne de flottaison.

Les pompes à fluide de travail du commerce prêtes à l'emploi (COTS) ne sont pas disponibles pour une immersion dans l'eau. Il en résulte que la ou les pompes à fluide de travail doivent être disposées à l'intérieur d'un réceptacle sous pression afin d'isoler la ou les pompes de l'environnement de l'océan et des différences de pression. Ceci complique la dissipation de chaleur. La chaleur doit être dissipée du moteur afin de maintenir froids les composants de travail principaux, tels que des enroulements de moteur, les joints d'étanchéité, les paliers et le lubrifiant. L'inefficacité du moteur (de manière nominale 5%) est directement convertie en travail mécanique sous forme de chaleur. Cette chaleur doit être extraite à la vitesse où elle est produite. Par ailleurs, la température de moteur ne peut pas dépasser une certaine température, généralement 40 degrés Celsius. Une solution consiste à utiliser l'eau de mer qui entoure le réceptacle sous pression comme source de dissipation de chaleur. Malheureusement, le réceptacle sous pression peut ne pas représenter une surface suffisante pour que l'on puisse compter sur la convection d'air à l'intérieur du réceptacle sous pression et la convection naturelle d'eau de mer à l'extérieur du réceptacle sous pression. Même si l'eau est forcée autour du réceptacle afin de créer une convection forcée tandis que de l'air est amené à circuler pour créer une convection forcée à l'intérieur du réceptacle sous pression, il se peut qu'une quantité de chaleur suffisante ne se dissipe pas suffisamment rapidement pour refroidir suffisamment le moteur. Une autre option consiste à utiliser de l'eau de mer qui est pompée à travers un échangeur de chaleur disposé à l'intérieur du réceptacle sous pression ou disposé à l'extérieur du réceptacle sous pression afin de refroidir le moteur. Malheureusement, cette option exige une entrée d'eau de mer et une sortie d'eau de mer (dans le cas d'un échangeur de chaleur interne), ou une entrée et une sortie de fluide de travail supplémentaires pour l'échangeur de chaleur (dans le cas d'un échangeur de chaleur externe), un filtre d'eau de mer (point de panne), une pompe supplémentaire (point de panne), des joints d'étanchéité supplémentaires (points de panne), et utilise directement de l'eau de mer, qui est fortement corrosive (ce qui augmente le risque de panne).

Un système et un processus de refroidissement dans un système ETM sont décrits, dans lesquels le liquide de travail sous-refroidi provenant de la sortie de pompe à fluide de travail est utilisé pour refroidir le moteur de pompe à fluide de travail, directement ou indirectement par l'intermédiaire d'un échange de chaleur avec un fluide secondaire. Dans une forme de réalisation, le refroidissement direct peut comprendre le fait de faire passer le fluide de travail à travers la chemise du moteur pour un refroidissement par convection forcée directe, comme cela est représenté dans la figure 3. Dans une forme de réalisation, le refroidissement indirect peut comprendre un échange de chaleur fluide de travail-air ou un échange de chaleur fluide de travail-liquide secondaire, tel que de l'eau douce. Avec de l'air, l'échangeur de chaleur peut échanger de la chaleur entre l'air dans le réceptacle sous pression et le fluide de travail. Avec un liquide secondaire, l'échangeur de chaleur peut échanger de la chaleur entre le liquide secondaire passant à travers la chemise d'eau de moteur et le fluide de travail comme cela est représenté dans la figure 2. Le fluide de travail pour le refroidissement est admis du côté à haute pression de la sortie de pompe à fluide de travail, passe à travers l'échangeur de chaleur ou directement vers le moteur, et ensuite est réintroduit dans la sortie de pompe pour continuer jusqu'à l'évaporateur avec une certaine quantité de dé-sous- refroidissement, ou bien le fluide de travail peut être réintroduit dans la boucle de refroidissement avant l'entrée de pompe. L'option de dé-sous-refroidissement permet à une certaine quantité de sous-refroidissement d'être extraite du fluide de travail en évitant ainsi de la chaleur qui proviendrait sinon de l'évaporateur. De même, du fait que l'évaporateur est conçu comme un échangeur de chaleur à deux phases, du fluide de travail avec moins de sous-refroidissement est évaporé plus efficacement. Par conséquent, de l'énergie thermique qui serait sinon gaspillée des deux côtés du système système pour un bénéfice net. Dans une forme de réalisation, un le système de est renvoyée dans pompe est prévu et comprend un réceptacle sous pression définissant un espace intérieur contenant de l'air ou un gaz inerte tel que de l'azote, une entrée de fluide dans l'espace intérieur et une sortie de fluide de l'espace intérieur. Une pompe est disposée dans l'espace intérieur, avec la pompe qui a une entrée reliée de manière fluidique à l'entrée de fluide du réceptacle sous pression et une sortie reliée de manière fluidique à la sortie de fluide du réceptacle sous pression. De plus, un moteur est disposé dans l'espace intérieur et relié à la pompe afin d'entraîner la pompe. Un passage d'écoulement de 10 refroidissement de moteur est disposé dans l'espace intérieur et en relation d'échange de chaleur avec le moteur. Le passage d'écoulement de refroidissement de moteur comprend une partie d'entrée qui est reliée de manière fluidique à la sortie de pompe pour recevoir du 15 fluide provenant de la sortie de pompe et une partie de sortie qui est reliée de manière fluidique à la sortie de pompe ou à l'entrée de pompe. Dans une autre forme de réalisation, un système de conversion d'énergie thermique des océans est prévu et 20 comprend un circuit de fluide de travail qui comprend un condenseur, un évaporateur, une pompe à fluide de travail, et un conduit en boucle fermée interconnectant le condenseur, l'évaporateur et la pompe à fluide de travail. Un fluide de travail à deux phases est dans le circuit de 25 fluide de travail. La pompe à fluide de travail, l'évaporateur et le condenseur sont disposés sous la surface d'une masse d'eau, et la pompe à fluide de travail est disposée à l'intérieur d'un réceptacle sous pression qui définit un espace intérieur contenant de l'air ou un 30 gaz inerte tel que de l'azote, une entrée de fluide dans l'espace intérieur qui est reliée de manière fluidique au conduit en boucle fermée, et une sortie de fluide de l'espace intérieur qui est reliée de manière fluidique au conduit en boucle fermée. La pompe a une entrée reliée de manière fluidique à l'entrée de fluide du réceptacle sous pression et une sortie reliée de manière fluidique à la sortie de fluide du réceptacle sous pression. Un moteur est disposé dans l'espace intérieur et est relié à la pompe afin d'entraîner la pompe. De plus, un passage d'écoulement de refroidissement de moteur est disposé dans l'espace intérieur et en relation d'échange de chaleur avec le moteur. Le passage d'écoulement de refroidissement de moteur comprend une partie d'entrée qui est reliée de manière fluidique à la sortie de pompe pour recevoir du fluide de travail provenant de la sortie de pompe et une partie de sortie qui est reliée de manière fluidique à la sortie de pompe ou à l'entrée de pompe. Dans une autre forme de réalisation, dans un système de conversion d'énergie thermique des océans, un procédé de refroidissement d'un moteur de pompe qui entraîne une pompe est prévu, avec la pompe et le moteur de pompe qui sont disposés dans un espace intérieur d'un réceptacle sous pression qui est disposé sous la surface d'une masse d'eau, et la pompe pompe un fluide de travail à deux phases. Dans le procédé, dans l'espace intérieur du réceptacle sous pression, du fluide de travail est dirigé depuis une sortie de la pompe afin d'échanger de la chaleur avec le moteur de pompe, et après échange de chaleur avec le moteur de pompe, le fluide de travail est dirigé de nouveau dans la sortie de pompe ou dans une entrée de la pompe. La figure 1 montre un système ETM qui peut utiliser le système de refroidissement de moteur de pompe décrit ici. La figure 2 montre un exemple d'un système de refroidissement de moteur de pompe indirect.

La figure 3 montre un exemple d'un système de refroidissement de moteur de pompe direct. Un système et un processus de refroidissement 5 dans un système ETM sont décrits, avec le liquide de travail sous-refroidi provenant de la sortie de pompe à fluide de travail qui est utilisé pour refroidir le moteur de pompe à fluide de travail, directement ou indirectement par l'intermédiaire d'un échange de chaleur avec un fluide 10 secondaire. La figure 1 est un schéma de principe de l'agencement d'un système de production d'électricité ETM 100. La construction globale et le fonctionnement d'un système ETM sont bien connus des hommes de l'art. Le 15 système ETM 100 peut être déployé dans n'importe quelle masse d'eau appropriée telle qu'un océan, une mer, un lac salé ou d'eau douce, etc. Dans cette forme de réalisation, le système 100 comprend une plate-forme en mer 102, un turboalternateur 20 104, un circuit de fluide de travail qui comprend un évaporateur 110-1, un condenseur 110-2, une pompe à fluide de travail 114, et un conduit de fluide de travail en boucle fermée 106 qui relie de manière fluidique le condenseur, l'évaporateur et la pompe à fluide de travail 25 et qui s'étend également à travers le turboalternateur 104. Un fluide de travail à deux phases 108, par exemple, mais sans y être limité, de l'ammoniac, est contenu dans le circuit de fluide de travail. Le système 100 comprend en outre des pompes à eau de mer 116 et 124, et des conduits 30 de fluide 120, 122, 128, et 130. Comme cela est indiqué dans la figure 1, la pompe fluide de travail 114, l'évaporateur 110-1 et le condenseur 110-2 sont disposés sous la surface 112 d'une masse d'eau, qui peut être un océan, une mer, un lac d'eau douce et équivalent. L'évaporateur 110-1 peut être de construction conventionnelle et comprend un échangeur de chaleur qui est configuré pour transférer de la chaleur provenant de l'eau de mer chaude au niveau de la zone de surface dans le fluide de travail 108 en amenant ainsi le fluide de travail à s'évaporer. Le condenseur 110-2 peut également être d'une construction conventionnelle et comprend un échangeur de chaleur qui est configuré pour transférer de la chaleur provenant du fluide de travail évaporé 108 à de l'eau de mer froide provenant de la zone d'eau profonde en provoquant ainsi une condensation du fluide de travail évaporé 108 à nouveau sous forme liquide.

Si l'on se réfère à la figure 2, la pompe à fluide de travail 114 est disposée dans un réceptacle sous pression 10 qui définit un espace intérieur 12 contenant de l'air ou un gaz inerte tel que l'azote. Le réceptacle 10 comprend une entrée de fluide de travail 14 dans l'espace intérieur 12 avec un conduit de fluide 16 à l'intérieur du réceptacle qui est relié de manière fluidique au conduit en boucle fermée 106 et à une entrée de la pompe. L'entrée 14 et le conduit de fluide 16 dirigent du fluide de travail à basse pression depuis le condenseur 110-2 dans le réceptacle 10 et l'entrée de pompe. De plus, le réceptacle 10 comprend une sortie de fluide de travail 18 de l'espace intérieur avec un conduit de fluide 20 à l'intérieur du réceptacle qui est relié de manière fluidique au conduit en boucle fermée 106 et à la sortie de la pompe. La sortie 18 et le conduit de fluide 20 dirige du fluide de travail à haute pression depuis la pompe dans le conduit en boucle fermée 106 où il s'écoule dans l'évaporateur 110-1. Un moteur de pompe à fluide de travail 22 est disposé dans l'espace intérieur 12 et est relié à la pompe 114 afin d'entraîner la pompe. Dans la forme de réalisation illustrée dans la figure 2, un passage d'écoulement de refroidissement de moteur 24 est disposé dans l'espace intérieur 12 et est dans une relation d'échange de chaleur indirect avec le moteur 22. Le passage d'écoulement de refroidissement de moteur 24 comprend une partie d'entrée 26 qui est reliée de manière fluidique à la sortie de pompe par l'intermédiaire du conduit de fluide 20 afin de 'recevoir du fluide de travail provenant de la sortie de pompe et une partie de sortie 28 qui est reliée de manière fluidique à la sortie de pompe par l'intermédiaire du conduit de fluide 20. Le passage de refroidissement de moteur 24 s'étend à travers un échangeur de chaleur 30 avec la partie d'entrée 26 qui dirige du fluide de travail jusqu'à l'échangeur de chaleur 30 et la partie de sortie 28 qui dirige du fluide de travail depuis l'échangeur de chaleur 30. Dans cet exemple, l'échangeur de chaleur 30 fait partie d'un circuit de refroidissement de liquide 32 disposé dans le réceptacle sous pression 10. Le circuit de refroidissement 32 comprend un passage d'écoulement de liquide de refroidissement en boucle fermée 34 contenant un liquide de refroidissement, tel que de l'eau propre, entre l'échangeur de chaleur 30 et l'intérieur du moteur 22. Le liquide dans le passage d'écoulement 34 prélève de la chaleur des composants de moteur devant être refroidis. Le liquide chauffé est alors dirigé vers l'échangeur de chaleur 30 où le liquide échange de la chaleur avec le fluide de travail dans le passage d'écoulement 24. Le liquide refroidi est alors renvoyé vers le moteur 22 afin de continuer le cycle. Le fluide de travail qui revient en passant par la partie de sortie 28 est chauffé dans l'échangeur de chaleur 30. Puisque de la chaleur est rejetée dans du fluide de travail juste avant l'évaporateur 110-1, la charge de chaleur dans l'évaporateur est réduite, ce qui signifie qu'il y a plus de potentiel pour que l'évaporateur crée de l'énergie. De même, du fait que des évaporateurs à deux phases, tels que ceux dans un système ETM, sont moins efficaces que des échangeurs de chaleur (HX) à phase unique au niveau du chauffage à phase unique, ce préchauffage du fluide de travail avant l'évaporateur aide de manière substantielle les performances de l'évaporateur.

Au lieu de la partie de sortie 28 qui renvoie le fluide de travail vers la sortie de pompe, la partie de sortie 28 peut renvoyer le fluide de travail vers l'entrée de la pompe 114 par l'intermédiaire du conduit 16 comme cela est représenté par le trait en pointillés 28' sur la figure 2. De plus, bien que le fluide de travail soit décrit et illustré sur la figure 2 comme échangeant de la chaleur dans l'échangeur de chaleur avec le circuit de refroidissement de liquide 32, d'autres options de refroidissement sont possibles. Par exemple, le circuit de refroidissement de liquide 32 peut être éliminé, et le fluide de travail qui s'écoule à travers l'échangeur de chaleur 30 peut échanger de la chaleur avec de l'air ou du gaz inerte dans l'espace intérieur 12 du réceptacle. De la chaleur peut être dissipée par le moteur 22 par l'intermédiaire d'une circulation/convection forcée vers l'air ou le gaz inerte à l'intérieur du réceptacle. L'air/gaz inerte chauffé est alors refroidi par l'intermédiaire de l'échangeur de chaleur 30.

La figure 3 montre une forme de réalisation qui comprend un passage d'écoulement de refroidissement de moteur 40 qui est disposé dans l'espace intérieur 12 et est en relation d'échange de chaleur direct avec le moteur 22. Le passage d'écoulement de refroidissement de moteur 40 comprend une partie d'entrée 42 qui est reliée de manière fluidique à la sortie de pompe par l'intermédiaire du conduit de fluide 20 afin de recevoir du fluide de travail provenant de la sortie de pompe et une partie de sortie 44 qui est reliée de manière fluidique à la sortie de pompe par l'intermédiaire du conduit de fluide 20. Dans cette forme de réalisation, la partie d'entrée 42 dirige le fluide de travail directement vers le moteur où le fluide de travail est utilisé pour refroidir directement les composants de moteur. La partie de sortie 44 renvoie le fluide de travail vers la sortie de pompe où le fluide de travail continue jusqu'à l'évaporateur. Au lieu de la partie de sortie 44 qui renvoie le fluide de travail vers la sortie de pompe, la partie de sortie peut renvoyer le fluide de travail vers l'entrée de la pompe 114 en passant par le conduit 16 comme cela est représenté par un trait en pointillés 44' sur la figure 3. Les exemples décrits dans cette demande doivent être considérés en tout point de vue comme illustratifs et non limitatifs.

Claims

REVENDICATIONS1. Procédé d'augmentation des performances d'un évaporateur (110-1) qui évapore un fluide de travail à deux phases qui est pompé jusqu'à l'évaporateur (110-1) par une pompe (114) entraînée par un moteur (22), caractérisé en ce qu'il comporte le fait de : utiliser une partie du fluide de travail provenant d'une sortie de la pompe (114) afin d'échanger de la chaleur avec le moteur (22) ; et après échange de chaleur avec le moteur (22), renvoyer la partie du fluide de travail dans la sortie de pompe ou dans une entrée de la pompe avant que le fluide de travail s'écoule dans l'évaporateur (110-1) de telle sorte que le fluide de travail qui atteint l'évaporateur (110-1) est à une température accrue.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'évaporateur (110-1) est un évaporateur à deux phases qui fait partie d'un système de conversion d'énergie thermique des océans ; la pompe (114) et le moteur de pompe (22) sont disposés dans un espace intérieur (12) d'un réceptacle sous pression (10) qui est disposé sous la surface d'une masse d'eau ; et le fluide de travail échange de la chaleur avec le moteur (22) dans l'espace intérieur (12) du réceptacle sous pression (10).
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le fluide de travail à deux phases est de 30 l'ammoniac.
4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte le fait de diriger le fluide de travail dans le moteur (22) de telle sorte que le fluide de travail est en relation d'échange de chaleur direct avec le moteur (22).
5. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte le fait de diriger le fluide de travail à travers un échangeur de chaleur (30) afin d'échanger de la chaleur avec un circuit de refroidissement de liquide (32) disposé à l'intérieur du réceptacle sous pression (10) et qui est en relation d'échange de chaleur direct avec le moteur (22).
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte le fait de : après échange de chaleur avec le moteur (22), renvoyer le fluide de travail dans la sortie de pompe.
7. Système de pompe, caractérisé en ce qu'il comporte : un réceptacle sous pression (10) définissant un espace intérieur (12) contenant de l'air ou un gaz inerte, une entrée de fluide (14) dans l'espace intérieur (12) et une sortie de fluide (18) de l'espace intérieur (12) ; une pompe (114) disposée dans l'espace intérieur (12), la pompe (114) ayant une entrée reliée de manière fluidique à l'entrée de fluide (14) du réceptacle sous pression (10) et une sortie reliée de manière fluidique à la sortie de fluide (18) du réceptacle sous pression (10) ; un moteur (22) disposé dans l'espace intérieur (12) et relié à la pompe (114) afin d'entraîner la pompe (114) ; etun passage d'écoulement de refroidissement de moteur (24 ; 40) disposé dans l'espace intérieur (12) et en relation d'échange de chaleur avec le moteur (22), le passage d'écoulement de refroidissement de moteur (24 ; 40) comprend une partie d'entrée (26 ; 42) qui est reliée de manière fluidique à la sortie de pompe afin de recevoir du fluide provenant de la sortie de pompe et une partie de sortie (28 ; 44) qui est reliée de manière fluidique à la sortie de pompe ou à l'entrée de pompe.
8. Système de pompe selon la revendication 7, caractérisé en ce que le réceptacle sous pression (10) est disposé sous la surface d'une masse d'eau, et la pompe (114) est configurée pour pomper un fluide à deux phases.
9. Système de pompe selon la revendication 8, caractérisé en ce que le fluide à deux phases est de l'ammoniac.
10. Système de pompe selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le passage d'écoulement de refroidissement de moteur (40) est en relation d'échange de chaleur direct avec le moteur (22), et le passage d'écoulement de refroidissement de moteur comprend une partie qui s'étend à travers le moteur (22).
11. Système de pompe selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le passage d'écoulement de refroidissement de moteur (24) est en relation d'échange de chaleur indirect avec le moteur (22).
12. Système de pompe selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un circuit de refroidissement de liquide (32) disposé dans le réceptaclesous pression (10), le circuit de refroidissement de liquide (32) comprend un échangeur de chaleur (30) qui est en relation d'échange de chaleur avec le passage d'écoulement de refroidissement de moteur (24).
13. Système de pompe selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un échangeur de chaleur (30) dans le réceptacle sous pression (10) qui est en relation d'échange de chaleur avec l'air ou le gaz inerte à l'intérieur du réceptacle sous pression (10), et de la chaleur du moteur (22) est dissipée dans l'air ou le gaz inerte.
14. Système de conversion d'énergie thermique des océans, caractérisé en ce que : un circuit de fluide de travail qui comprend le système de pompe selon la revendication 7, un condenseur (110-2), un évaporateur (110-1), et un conduit en boucle fermée (106) interconnectant le condenseur (110-2), l'évaporateur (110-1) et la pompe (114) ; un fluide de travail à deux phases dans le circuit de fluide de travail ; la pompe (114), l'évaporateur (110-1) et le condenseur (110-2) sont disposés sous la surface d'une masse d'eau ; l'entrée de fluide -est reliée de manière fluidique au condenseur (110-2) par le conduit en boucle fermée (106), et la sortie de fluide est directement reliée de manière fluidique à l'évaporateur (110-1) par le conduit en boucle fermée (106).
15. Système de conversion d'énergie thermique des océans selon la revendication 14, caractérisé en ce que l'évaporateur (110-1) est un évaporateur à deux phases.