FR3004216A1 - SYSTEM AND METHOD FOR FREEZING GEL IN A THERMAL ENERGY CONVERSION CIRCUIT - Google Patents
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Abstract
Système de conversion d'énergie thermique comprenant un circuit (1) de circulation d'un fluide de travail, comprenant successivement un premier échangeur thermique (3), une machine de détente (4), un second échangeur thermique (5) et une pompe (2), caractérisé en ce qu'il comprend en outre - un réservoir (7) de fluide de travail, et dans lequel le fluide de travail se déverse en sortie du second échangeur thermique (5), - un distributeur de vidange (10), adapté pour relier la pompe (2) soit au réservoir (7), soit au milieu ambiant de manière à permettre de réaliser soit un fonctionnement en circuit fermé, soit une vidange du circuit par aspiration d'air dans le circuit, suite à une dépression résultant du refroidissement du circuit (1), et - une pompe à vide (8), adaptée pour évacuer du circuit des gaz extérieurs incondensable y ayant pénétré.Thermal energy conversion system comprising a circuit (1) for circulating a working fluid, successively comprising a first heat exchanger (3), an expansion machine (4), a second heat exchanger (5) and a pump (2), characterized in that it further comprises - a reservoir (7) of working fluid, and wherein the working fluid flows at the outlet of the second heat exchanger (5), - a drain distributor (10). ), adapted to connect the pump (2) to the reservoir (7), or to the ambient environment so as to allow either a closed circuit operation or a draining of the circuit by suction of air in the circuit, following a vacuum resulting from the cooling of the circuit (1), and - a vacuum pump (8), adapted to evacuate incondensable external gases having penetrated from the circuit.
Description
DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne le domaine des circuits de conversion d'énergie thermique, utilisant par exemple le cycle de Rankine.GENERAL TECHNICAL FIELD The present invention relates to the field of thermal energy conversion circuits, using for example the Rankine cycle.
ETAT DE L'ART Les circuits exploitant le cycle thermodynamique de Rankine sont bien connus pour des applications sur des systèmes stationnaires ou mobiles.STATE OF THE ART Circuits exploiting the Rankine thermodynamic cycle are well known for applications on stationary or mobile systems.
Un tel dispositif comprend un réservoir contenant un fluide de travail vaporisable. Une pompe de circulation (ou compresseur) prélève le fluide de travail de ce réservoir, et permet de véhiculer le fluide de travail sous pression à travers un évaporateur balayé par un fluide chaud afin de réaliser la vaporisation au moins partielle du fluide du travail. Une machine de détente est utilisée pour détendre la vapeur sous pression. Elle convertit l'énergie de ce fluide en une autre énergie, comme de l'énergie mécanique. Un condenseur directement connecté à la sortie de la machine de détente permet au fluide de travail de retourner sous sa phase liquide dans le réservoir.Such a device comprises a reservoir containing a vaporizable working fluid. A circulation pump (or compressor) draws the working fluid from this reservoir, and allows the pressurized working fluid to be conveyed through an evaporator swept by a hot fluid in order to achieve at least partial vaporization of the working fluid. A relaxation machine is used to relax the steam under pressure. It converts the energy of this fluid into another energy, such as mechanical energy. A condenser directly connected to the output of the expansion machine allows the working fluid to return to its liquid phase in the reservoir.
On comprend bien que l'utilisation de tels circuits peut être problématique en fonction de la température ambiante. En particulier, une température trop faible peut provoquer le gel du fluide de travail du circuit.It is understood that the use of such circuits can be problematic depending on the ambient temperature. In particular, a temperature too low can cause the freezing of the working fluid of the circuit.
Or, la solidification du fluide de travail peut avoir des conséquences néfastes sur le système, comme par exemple : - La fissuration des canalisations dans le cas où la densité du fluide de travail à l'état solide est inférieure à la densité du fluide de travail à l'état liquide. - L'impossibilité d'actionner la pompe de circulation tant que le fluide n'a pas retrouvé son état liquide. - La création d'un vide poussé pouvant détériorer certains composants.However, the solidification of the working fluid can have adverse consequences on the system, for example: - Cracking of the pipes in the case where the density of the working fluid in the solid state is lower than the density of the working fluid in the liquid state. - The impossibility of operating the circulation pump until the fluid has returned to its liquid state. - The creation of a high vacuum that can damage some components.
Plusieurs propositions ont déjà été formulées afin de répondre à cette problématique.Several proposals have already been formulated to answer this problem.
Le document DE102009003850 présente l'ajout d'un antigel et/ou d'un lubrifiant à la phase liquide du fluide de travail dans un circuit fermé permettant de réaliser un cycle de Rankine. Dans ce cas, le fluide de travail doit être séparé desdits additifs, typiquement du glycol et/ou du lubrifiant, par l'ajout d'un séparateur avant que le fluide ne circule dans la partie haute température de l'évaporateur car les additifs utilisés ne supportent pas d'être exposés à une température élevée. Ce processus de séparation n'est pas optimal car il est coûteux et peu efficace. La quantité d'antigel et/ou de lubrifiant atteignant la haute température subit alors un processus de décomposition thermique irréversible et incontrôlé pouvant entrainer de graves dysfonctionnements du circuit. Le document DE102006052906 envisage l'ajout d'un alcool à chaîne courte à l'eau utilisée comme fluide de travail. Celle-ci acquière alors une résistance au gel et garde sa stabilité jusqu'à des températures pouvant atteindre 170°C. L'antigel peut donc passer dans le circuit complet avec le fluide de travail. Cependant, la température d'utilisation maximale demeure trop faible, et ne permet pas de fonctionner à un rendement optimum pour de nombreux fluides. Pour des applications embarquées dans des véhicules notamment, le faible rendement engendré rend de tels systèmes Rankine peu intéressant en termes économiques. Le document DE102007020086 présente une autre variante dans laquelle le fluide de travail est associé à des composants antigel non vaporisables tels que des liquides ioniques. Cette variante présente toutefois les inconvénients présentés précédemment de nécessité de séparation du fluide de travail en un point du circuit, et de plus, des liquides ioniques présentant un ensemble de propriétés satisfaisantes sont rares. Les documents US2012/0151919 et FR2956153 proposent une autre variante s'affranchissant des additifs du fluide de travail, consistant à collecter le fluide de travail dans un réservoir dédié configuré de manière à tolérer le gel du fluide de travail. La vidange est effectuée par une pompe et un ensemble de vannes lorsque le système s'arrête ou qu'il atteint une température inférieure ou égale à une valeur seuil. Or, on a alors un fonctionnement de la pompe à sec, ce qui non seulement ne permet pas de réaliser une bonne vidange du circuit, mais est de plus dommageable à sa durée de vie. Un but de la présente invention est de proposer un dispositif permettant à un circuit fonctionnant selon un cycle thermodynamique de Rankine de geler sans conséquences négatives pour ledit circuit et ne présentant pas les inconvénients des circuits selon l'état de l'art présentés précédemment.The document DE102009003850 presents the addition of an antifreeze and / or a lubricant to the liquid phase of the working fluid in a closed circuit for performing a Rankine cycle. In this case, the working fluid must be separated from said additives, typically glycol and / or lubricant, by adding a separator before the fluid circulates in the high temperature part of the evaporator because the additives used can not stand being exposed to high temperature. This separation process is not optimal because it is expensive and inefficient. The amount of antifreeze and / or lubricant reaching the high temperature then undergoes an irreversible and uncontrolled thermal decomposition process that can cause serious malfunctions of the circuit. Document DE102006052906 contemplates the addition of a short chain alcohol to the water used as working fluid. This then acquires a frost resistance and keeps its stability up to temperatures up to 170 ° C. Antifreeze can therefore pass into the complete circuit with the working fluid. However, the maximum operating temperature remains too low, and does not operate at optimum efficiency for many fluids. For embedded applications in vehicles in particular, the low efficiency generated makes such Rankine systems unattractive in economic terms. Document DE102007020086 presents another variant in which the working fluid is associated with non-vaporizable antifreeze components such as ionic liquids. This variant, however, has the aforementioned disadvantages of the need for separation of the working fluid at a point in the circuit, and moreover, ionic liquids having a set of satisfactory properties are rare. Documents US2012 / 0151919 and FR2956153 propose another variant free of additives of the working fluid, of collecting the working fluid in a dedicated reservoir configured to tolerate the freezing of the working fluid. The emptying is carried out by a pump and a set of valves when the system stops or when it reaches a temperature lower than or equal to a threshold value. Now, we then have a dry pump operation, which not only does not allow a good drain of the circuit, but is also damaging to its service life. An object of the present invention is to provide a device allowing a circuit operating according to a Rankine thermodynamic cycle to freeze without negative consequences for said circuit and does not have the disadvantages of circuits according to the state of the art presented above.
PRESENTATION DE L'INVENTION A cet effet, la présente invention propose un système de conversion d'énergie thermique comprenant un circuit de circulation d'un fluide de travail, comprenant successivement un premier échangeur thermique disposé au contact d'une source chaude, une machine de détente, un second échangeur thermique disposé au contact d'une source froide, et une pompe réalisant la circulation du fluide de travail dans ledit circuit, caractérisé en ce que ledit système comprend en outre - un réservoir duquel la pompe prélève le fluide de travail pour l'injecter dans le circuit, et dans lequel le fluide de travail se déverse en sortie du second échangeur thermique, - un distributeur de vidange, adapté pour relier la pompe soit au réservoir, soit au milieu ambiant de manière à permettre de réaliser soit un fonctionnement en circuit fermé, soit une vidange du circuit en collectant le fluide de travail dans le réservoir par aspiration de l'air extérieur dans le circuit, suite à une dépression résultant du refroidissement du circuit. - une pompe à vide, adaptée pour évacuer du circuit les gaz extérieurs incondensables y ayant pénétré. Selon un mode de réalisation particulier, le réservoir comprend des moyens de chauffage adaptés pour réaliser un dégel du fluide de travail contenu dans le réservoir. Le système peut comprendre en outre un réservoir annexe disposé entre la pompe à vide et le distributeur de vidange de manière à recueillir les condensats évacués par la pompe à vide, et de manière à ce que les condensats soient ré-aspirés dans le circuit lors de la vidange du circuit. Selon un mode de réalisation particulier, la pompe à vide est reliée au réservoir, en un point situé au-dessus du niveau du liquide dans ledit réservoir.PRESENTATION OF THE INVENTION For this purpose, the present invention proposes a thermal energy conversion system comprising a circulation circuit of a working fluid, successively comprising a first heat exchanger disposed in contact with a hot source, a machine detent, a second heat exchanger disposed in contact with a cold source, and a pump for circulating the working fluid in said circuit, characterized in that said system further comprises - a reservoir from which the pump draws the working fluid to inject it into the circuit, and in which the working fluid is discharged at the outlet of the second heat exchanger, - a draining valve, adapted to connect the pump to the reservoir, or to the ambient environment so as to make it possible to a closed circuit operation, ie a draining of the circuit by collecting the working fluid in the tank by suction of the outside air da ns the circuit, following a depression resulting from the cooling of the circuit. a vacuum pump, adapted to evacuate from the circuit the incondensable external gases having penetrated therein. According to a particular embodiment, the reservoir comprises heating means adapted to thaw the working fluid contained in the reservoir. The system may further comprise an auxiliary reservoir disposed between the vacuum pump and the drain distributor so as to collect the condensates discharged by the vacuum pump, and in such a way that the condensates are re-sucked into the circuit during draining the circuit. According to a particular embodiment, the vacuum pump is connected to the reservoir at a point above the level of the liquid in said reservoir.
Selon un autre mode de réalisation particulier, la pompe à vide est reliée au circuit, en un point situé au-dessus du niveau du liquide dans le circuit.According to another particular embodiment, the vacuum pump is connected to the circuit at a point above the level of the liquid in the circuit.
Selon un mode de réalisation particulier, le second échangeur thermique est disposé de manière à ce que sa sortie se trouve au-dessus du niveau de liquide dans le réservoir afin d'assurer un écoulement naturel du fluide de travail du second échangeur thermique vers le réservoir et éviter ainsi que du fluide de travail stagne dans le second échangeur thermique lorsque le système est à l'arrêt. La présente invention concerne également un procédé de commande d'un circuit de conversion d'énergie thermique exécutant un cycle de Rankine, dans lequel suite à l'arrêt du circuit afin de réaliser une mise hors gel du circuit, une dépression se produit dans le circuit suite à l'abaissement de la température. Le circuit étant sensiblement hermétique, la pression est ainsi sensiblement égale à la pression de saturation du fluide de travail à la température ambiante. Cette pression est inférieure à la pression atmosphérique. Une commande est ensuite actionnée de manière à former un circuit ouvert afin d'entrainer une admission d'air et réaliser ainsi une vidange du fluide de travail du circuit sous l'effet de l'air admis qui évacue le fluide de travail du circuit, le fluide de travail étant alors stocké dans un réservoir. Selon un mode de réalisation particulier, la pompe à vide est actionnée préalablement à la commande formant un circuit ouvert de manière à expulser du circuit les gaz y ayant pénétré par les défauts d'étanchéité.According to a particular embodiment, the second heat exchanger is arranged in such a way that its outlet is above the level of liquid in the reservoir in order to ensure a natural flow of the working fluid from the second heat exchanger to the reservoir and thus prevent working fluid stagnates in the second heat exchanger when the system is stopped. The present invention also relates to a method of controlling a thermal energy conversion circuit executing a Rankine cycle, in which following the circuit shutdown in order to perform an anti-freeze circuit, a depression occurs in the circuit following the lowering of the temperature. Since the circuit is substantially hermetic, the pressure is thus substantially equal to the saturation pressure of the working fluid at ambient temperature. This pressure is below atmospheric pressure. A control is then actuated so as to form an open circuit in order to cause an admission of air and thus to empty the working fluid of the circuit under the effect of the intake air which discharges the working fluid from the circuit, the working fluid is then stored in a tank. According to a particular embodiment, the vacuum pump is actuated prior to the command forming an open circuit so as to expel from the circuit the gases having penetrated by the sealing defects.
Ces gaz, typiquement de l'air, engendre une diminution du taux de vide dans le circuit, voire une mise du circuit à la pression atmosphérique. Selon un mode de réalisation particulier, l'actionnement de la commande est déterminé par l'atteinte d'une température du fluide de travail inférieure ou égale à une valeur seuil et une pression dans le réservoir inférieure à une valeur seuil inférieure à la pression atmosphérique. Selon un mode de réalisation particulier, lors du fonctionnement du circuit, on active ladite pompe à vide de manière à maintenir une dépression dans une section basse pression du circuit par l'expulsion des gaz extérieurs y ayant pénétré. Selon un mode de réalisation particulier, l'actionnement de la commande d'ouverture du circuit est réalisé par un actionneur passif sensible à la température, de type calorstat.These gases, typically air, cause a decrease in the rate of vacuum in the circuit, or even a setting of the circuit at atmospheric pressure. According to a particular embodiment, the actuation of the control is determined by reaching a working fluid temperature lower than or equal to a threshold value and a pressure in the tank below a threshold value below atmospheric pressure. . According to a particular embodiment, during operation of the circuit, said vacuum pump is activated so as to maintain a vacuum in a low pressure section of the circuit by the expulsion of the external gases having penetrated. According to a particular embodiment, the actuation of the opening control of the circuit is performed by a temperature-sensitive passive actuator of the calorstat type.
Selon un mode de réalisation particulier, ladite pompe à vide est activée préalablement à la commande si la dépression dans le circuit résultant de l'abaissement de la température n'est pas suffisante pour que, lors de l'actionnement de la commande, l'admission d'air soit assez brusque pour pousser le fluide de travail jusque dans le réservoir. Selon un mode de réalisation particulier, le distributeur de vidange est relié au réservoir annexe contenant les condensats évacués par la pompe à vide et en relation avec le milieu extérieur. Cet arrangement particulier permet, lors de l'actionnement de la commande, de réinjecter les condensats dans le circuit préalablement à l'admission d'air. Aucune perte de fluide de travail n'est donc possible. En cas de perte constatée de fluide, un simple appoint peut être réalisé en ajoutant du fluide de travail dans le réservoir annexe dédié aux 15 condensats. PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront 20 de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés, sur lesquels les figures 1 et 2 présentent schématiquement un système selon un aspect de l'invention selon deux configurations. 25 Sur les figures, les éléments en commun sont repérés par des références numériques identiques. DESCRIPTION DETAILLEE 30 Les figures 1 et 2 présentent schématiquement un système selon un aspect de l'invention selon deux configurations que l'on décrit ci-après.According to a particular embodiment, said vacuum pump is activated before the command if the depression in the circuit resulting from the lowering of the temperature is not sufficient so that, when the control is actuated, the air intake is so abrupt as to push the working fluid into the tank. According to a particular embodiment, the drain distributor is connected to the auxiliary tank containing the condensates discharged by the vacuum pump and in relation to the external environment. This particular arrangement makes it possible, when the control is actuated, to reinject the condensates into the circuit prior to the admission of air. No loss of working fluid is therefore possible. In case of observed loss of fluid, a simple booster can be achieved by adding working fluid in the annex tank dedicated to the condensates. PRESENTATION OF THE FIGURES Other characteristics, objects and advantages of the invention will emerge from the description which follows, which is purely illustrative and nonlimiting, and which should be read with reference to the appended drawings, in which FIGS. schematically a system according to one aspect of the invention in two configurations. In the figures, the elements in common are identified by identical reference numerals. DETAILED DESCRIPTION FIGS. 1 and 2 schematically show a system according to one aspect of the invention in two configurations which are described below.
Le système proposé comprend un circuit 1 fermé opérant un cycle thermodynamique de Rankine. Le circuit 1 comprend : - Une pompe 2, typiquement une pompe adaptée pour délivrer une pression de 30 bars à son refoulement ; - Un premier échangeur thermique 3 que l'on désignera dans la suite du texte par « évaporateur » ; - Une machine de détente 4 ; - Un second échangeur thermique 5, que l'on désignera dans la suite du texte par « condenseur » ; - Un dispositif de dérivation 6 en parallèle de la machine de détente 4; - Un réservoir 7 étanche duquel la pompe 2 prélève le fluide de travail pour l'injecter dans le circuit, et dans lequel le fluide de travail se déverse en sortie du second échangeur thermique 5. La pompe 2 alimente l'évaporateur 3 en fluide de travail à l'état liquide sous pression, typiquement de l'ordre de 30 bars. L'évaporateur 3 est disposé dans un milieu à température élevée, et réalise ainsi un transfert thermique entre ce milieu à température élevée et le fluide de travail de sorte que ce dernier soit vaporisé et passe à l'état gazeux. On représente sur les figures un moteur à combustion interne 11, formant la source de chaleur qui réalise l'élévation en température dans l'évaporateur 3.The proposed system comprises a closed circuit 1 operating a thermodynamic Rankine cycle. The circuit 1 comprises: a pump 2, typically a pump adapted to deliver a pressure of 30 bars at its delivery; - A first heat exchanger 3 which will be referred to in the rest of the text as "evaporator"; - A relaxation machine 4; - A second heat exchanger 5, which will be designated in the following text by "condenser"; - A branch device 6 in parallel with the expansion machine 4; A sealed reservoir 7 from which the pump 2 draws the working fluid to inject it into the circuit, and in which the working fluid is discharged at the outlet of the second heat exchanger 5. The pump 2 supplies the evaporator 3 with working in the liquid state under pressure, typically of the order of 30 bars. The evaporator 3 is placed in a medium at high temperature, and thus carries out a heat transfer between the medium at high temperature and the working fluid so that the latter is vaporized and goes into the gaseous state. An internal combustion engine 11 is shown in the figures, forming the heat source which raises the temperature in the evaporator 3.
Le fluide de travail en sortie de l'évaporateur 3 est donc à l'état gazeux et sous pression. Le fluide de travail passe ensuite par la machine de détente 4, dans laquelle se produit une détente. La détente du fluide de travail dans la machine de détente 4 entraîne 30 des moyens mobiles tels qu'un arbre mécanique tournant, permettant ainsi de récupérer l'énergie de la détente du fluide de travail. Les moyens mobiles sont avantageusement couplés à des moyens de conversion d'énergie tels qu'une génératrice électrique, de manière à permettre une conversion de l'énergie résultant de la détente en énergie électrique. Les moyens mobiles peuvent également être couplés à un arbre du moteur à combustion interne, de manière à réinjecter un couple mécanique.The working fluid leaving the evaporator 3 is therefore in the gaseous state and under pressure. The working fluid then passes through the expansion machine 4, in which a relaxation occurs. The expansion of the working fluid in the expansion machine 4 drives 30 moving means such as a rotating mechanical shaft, thereby recovering the energy of the expansion of the working fluid. The mobile means are advantageously coupled to energy conversion means such as an electric generator, so as to allow a conversion of the energy resulting from the expansion into electrical energy. The movable means can also be coupled to a shaft of the internal combustion engine, so as to reinject a mechanical torque.
Le fluide de travail en sortie de la machine de détente 4 est donc à l'état gazeux, et à pression faible, typiquement de l'ordre de 1 bar. Le fluide de travail passe ensuite par le condenseur 5, qui est disposé dans un milieu à température faible afin de réaliser un échange thermique entre le fluide de travail et ce milieu à température faible pour abaisser la température du fluide de travail et le ramener à l'état liquide. Le fluide de travail en sortie du condenseur 5 est donc à l'état liquide et à pression faible, de l'ordre de 1 bar. Il est ensuite déversé dans le réservoir 7, puis réinjecté dans le circuit 1 par la pompe 2 et réalise à nouveau le cycle décrit précédemment. La sortie du condenseur 5 est typiquement agencée de manière à se trouver au-dessus du niveau de liquide dans le réservoir 7 dans des conditions normales d'utilisation, ce qui permet d'assurer un écoulement naturel du fluide de travail du condenseur 5 vers le réservoir 7 et évite ainsi que du fluide de travail stagne dans le condenseur 5 lorsque le système est à l'arrêt. Le circuit 1 présenté comprend en outre un dispositif de dérivation 6 adapté pour permettre de prélever tout ou partie du fluide de travail en amont de la machine de détente 4 et de le réinjecter dans le circuit 1 en aval de la machine de détente 4, réalisant ainsi une fonction de court-circuit de la machine de détente 4. On qualifie communément un tel dispositif selon l'appellation anglaise « bypass ».The working fluid at the outlet of the expansion machine 4 is therefore in the gaseous state, and at low pressure, typically of the order of 1 bar. The working fluid then passes through the condenser 5, which is arranged in a medium at a low temperature in order to achieve a heat exchange between the working fluid and this medium at a low temperature to lower the temperature of the working fluid and bring it back to the temperature. liquid state. The working fluid at the outlet of the condenser 5 is therefore in the liquid state and at a low pressure, of the order of 1 bar. It is then poured into the tank 7, then fed back into the circuit 1 by the pump 2 and performs the cycle described above again. The outlet of the condenser 5 is typically arranged so as to be above the liquid level in the tank 7 under normal conditions of use, which makes it possible to ensure a natural flow of the working fluid from the condenser 5 to the reservoir 7 and thus prevents the working fluid stagnates in the condenser 5 when the system is stopped. The circuit 1 presented further comprises a bypass device 6 adapted to allow to take all or part of the working fluid upstream of the expansion machine 4 and reinject it into the circuit 1 downstream of the expansion machine 4, realizing thus a short circuit function of the relaxation machine 4. It is commonly called such a device according to the English name "bypass".
Un distributeur de vidange 10 est disposé en amont de la pompe 2. Le distributeur de vidange 10 tel qu'illustré présente trois orifices : - Un premier orifice relié à l'admission de la pompe 2, - Un second orifice relié au réservoir 7, - Un troisième orifice relié à un réservoir annexe 9, ce réservoir annexe 9 étant un réservoir à pression atmosphérique. Le distributeur de vidange 10 alterne entre deux configurations sous l'action d'une commande 12 à laquelle s'oppose un moyen de rappel 13 : - une première configuration 10a représentée sur la figure 1, dans laquelle le premier et le second orifice sont reliés, tandis que le troisième orifice est obturé, et - une seconde configuration 10b représentée sur la figure 2, dans laquelle le premier et le troisième orifice sont reliés, tandis que le second orifice est obturé. On comprend bien que d'autres variantes peuvent être réalisées, utilisant des moyens remplissant une fonction équivalente à celle du distributeur de vidange 10 présenté.A draining distributor 10 is arranged upstream of the pump 2. The draining valve 10 as illustrated has three orifices: a first orifice connected to the intake of the pump 2; a second orifice connected to the reservoir 7; - A third port connected to an annex tank 9, this reservoir 9 being a reservoir tank at atmospheric pressure. The drain distributor 10 alternates between two configurations under the action of a control 12 to which a return means 13 is opposed: - a first configuration 10a shown in FIG. 1, in which the first and the second orifice are connected , while the third port is closed, and - a second configuration 10b shown in Figure 2, wherein the first and third ports are connected, while the second port is closed. It is understood that other variants can be made, using means performing a function equivalent to that of the drain valve 10 presented.
Le distributeur de vidange 10 peut également être piloté par deux commandes pilotant chacune le déplacement du distributeur dans un sens ; le moyen de rappel 13 est alors remplacé par une seconde commande pouvant par exemple être identique à la commande 12. Le distributeur de vidange 10 est alors bistable.The drain distributor 10 can also be controlled by two controls each controlling the movement of the dispenser in one direction; the return means 13 is then replaced by a second command which may for example be identical to the control 12. The drain valve 10 is then bistable.
Le circuit comprend en outre une pompe à vide 8, dont l'admission est reliée au réservoir 7, et le refoulement est relié au milieu ambiant, par exemple au réservoir annexe 9.The circuit further comprises a vacuum pump 8, whose inlet is connected to the reservoir 7, and the discharge is connected to the ambient environment, for example to the auxiliary reservoir 9.
Lors du fonctionnement du circuit 1, le distributeur de vidange 10 est dans sa première configuration 10a. Le circuit 1 fonctionne en circuit fermé ; le fluide de travail sortant du condenseur 5 se déverse dans le réservoir 7, et est réinjecté dans le circuit 1 par la pompe 2.During operation of the circuit 1, the drain distributor 10 is in its first configuration 10a. Circuit 1 operates in a closed circuit; the working fluid exiting the condenser 5 flows into the reservoir 7, and is fed back into the circuit 1 by the pump 2.
En mode hors-gel, le circuit 1 est à l'arrêt. S température s'abaisse progressivement jusqu'à une température sensiblement égale à la température ambiante, ce qui provoque une dépression dans le circuit 1, celui-ci étant hermétique.In frost protection mode, circuit 1 is at a standstill. S temperature gradually decreases to a temperature substantially equal to the ambient temperature, which causes a vacuum in the circuit 1, the latter being hermetic.
La pression régnant dans le circuit 1 est sensiblement égale à la pression de saturation du fluide de travail à température ambiante, par exemple 0.004 bars absolus à 30°C pour de l'eau. La pompe à vide 8 est mise en fonctionnement si l'entrée dans le circuit de gaz extérieurs, typiquement de l'air, empêche l'atteinte d'une dépression typique de 0.5 à 0.8 bars (soit une pression de 0.5 à 0.2 bars absolus) pour que, lorsque le distributeur de vidange 10 bascule ensuite dans sa seconde configuration 10b, l'admission d'air soit suffisamment brusque pour que la bulle d'air formée soit capable de pousser le fluide de travail jusque dans le réservoir 7. Le circuit 1 est alors un circuit ouvert. La dépression créée dans le circuit 1 entraîne une admission d'air qui vient ainsi chasser le fluide de travail du circuit 1, le fluide de travail se déversant et s'accumulant alors progressivement dans le réservoir 7. La pompe 2 n'est plus alimentée en fluide de travail. Des tests menés avec de l'eau ont par exemple montré que pour un système constitué d'un circuit d'un volume de 122mL comprenant une pompe et des échangeurs représentant environ 70% de ce volume, ainsi que des canalisations d'un diamètre nominal de 6mm et d'une longueur de 1,5m et comprenant un réservoir d'une contenance de 10L rempli à sensiblement 50% avant l'actionnement de la commande : - une pression de 0,5 bars absolus dans le réservoir permet de collecter au moins 95% de l'eau du circuit dans le réservoir ; - une pression de 0,3 bars absolus dans le réservoir permet de collecter au moins 97% de l'eau du circuit dans le réservoir. La faible quantité d'eau résiduelle dans le circuit est négligeable et n'est pas problématique en cas de gel.The pressure in the circuit 1 is substantially equal to the saturation pressure of the working fluid at ambient temperature, for example 0.004 bar absolute at 30 ° C for water. The vacuum pump 8 is put into operation if the entry into the circuit of external gases, typically air, prevents the attainment of a typical depression of 0.5 to 0.8 bars (ie a pressure of 0.5 to 0.2 bars absolute ) so that, when the drain valve 10 then switches to its second configuration 10b, the air intake is sufficiently abrupt that the air bubble formed is able to push the working fluid into the tank 7. The circuit 1 is then an open circuit. The depression created in the circuit 1 causes an intake of air which thus expels the working fluid from the circuit 1, the working fluid flowing and gradually accumulating in the reservoir 7. The pump 2 is no longer powered in working fluid. Tests conducted with water have for example shown that for a system consisting of a circuit with a volume of 122mL including a pump and exchangers representing about 70% of this volume, and pipes of a nominal diameter of 6mm and a length of 1.5m and comprising a tank of a capacity of 10L filled to substantially 50% before the actuation of the control: - a pressure of 0.5 bar absolute in the tank allows to collect at minus 95% of the circuit water in the tank; a pressure of 0.3 bar absolute in the tank makes it possible to collect at least 97% of the water of the circuit in the tank. The small amount of residual water in the circuit is negligible and is not problematic in case of frost.
Le réservoir annexe 9 est optionnel, et est le cas échéant disposé en aval de la pompe à vide 8, de manière à recueillir d'éventuels condensats évacués par la pompe à vide 8. Lorsque le distributeur de vidange 10 bascule dans sa configuration 10b, les condensats accumulés dans le réservoir annexe 9 sont aspirés dans le circuit 1, et retournent en fin de cycle dans le réservoir 7. Un appoint en fluide de travail peut être réalisé en remplissant le réservoir dédié aux condensats de sorte que les pertes ponctuelles de 5 fluide de travail puissent être compensées. Le remplissage est typiquement manuel. Le circuit 1 est ainsi purgé de fluide de travail qui est accumulé et stocké dans le réservoir 7. Seul de l'air demeure dans le circuit 1. On réalise 10 donc une vidange du circuit 1. Le système peut facilement être remis en fonctionnement, par basculement du distributeur de vidange 10 dans sa première configuration 10a et remise en route de la pompe 2, en s'étant assuré au préalable que le fluide de travail dans le réservoir 7 est bien à l'état 15 liquide. Si le fluide de travail stocké dans le réservoir 7 n'est pas gelé, le distributeur de vidange 10 bascule dans sa première configuration 10a et le fluide de travail est aspiré par la pompe 2. Si le fluide de travail est gelé dans le réservoir 7, le distributeur de 20 vidange 10 ne bascule dans sa première configuration 10a que lorsque le fluide de travail est dégelé. Lors de la remise en fonctionnement, la pompe à vide 8 est actionnée, de manière à évacuer l'air qui avait été aspiré dans le circuit 1 et qui avait chassé le fluide de travail. La pompe à vide 8 est ainsi mise en 25 fonctionnement lors de la remise en route du système. L'activation de la commande de mise hors gel peut se faire selon tout ou partie des critères suivants : - température du fluide de travail, 30 - température du fluide de refroidissement du moteur principal, - température dans la ligne d'échappement, - température ambiante, - extinction du moteur principal, - pression du fluide de travail. Toute valeur intégrale ou dérivée de ces valeurs prise séparément ou en combinaison peut conduire à une condition logique d'activation de la vidange du circuit.The auxiliary tank 9 is optional, and is optionally disposed downstream of the vacuum pump 8, so as to collect any condensate discharged by the vacuum pump 8. When the drain distributor 10 switches into its configuration 10b, the condensates accumulated in the auxiliary tank 9 are sucked into the circuit 1, and return at the end of the cycle in the tank 7. A makeup of working fluid can be made by filling the tank dedicated to the condensates so that the point losses of 5 working fluid can be compensated. The filling is typically manual. The circuit 1 is thus purged of working fluid which is accumulated and stored in the tank 7. Only air remains in the circuit 1. So draining of the circuit 1 is carried out. The system can easily be put back into operation, by tilting the drain distributor 10 in its first configuration 10a and restarting the pump 2, having first made sure that the working fluid in the reservoir 7 is in the liquid state. If the working fluid stored in the reservoir 7 is not frozen, the emptying distributor 10 switches to its first configuration 10a and the working fluid is sucked by the pump 2. If the working fluid is frozen in the reservoir 7 , the draining distributor 10 only tilts in its first configuration 10a when the working fluid is thawed. When put back into operation, the vacuum pump 8 is actuated, so as to evacuate the air which had been sucked into the circuit 1 and which had driven the working fluid. The vacuum pump 8 is thus put into operation when the system is restarted. The activation of the frost protection command can be done according to all or some of the following criteria: - working fluid temperature, 30 - main engine coolant temperature, - exhaust line temperature, - temperature ambient, - main motor shutdown, - working fluid pressure. Any integral value or derived from these values taken separately or in combination can lead to a logic condition of activation of the drain of the circuit.
A titre d'exemple, l'activation de la mise hors gel peut résulter des conditions suivantes : le moteur principal est éteint, la température du fluide est inférieure à 60°C et la température ambiante est inférieure à 3°C.By way of example, activation of the frost protection may result from the following conditions: the main motor is off, the fluid temperature is below 60 ° C and the ambient temperature is below 3 ° C.
Si la pression dans le circuit 1 est supérieure à 0,5 bars absolus, alors la pompe à vide 8 est activée préalablement à l'ouverture du distributeur de vidange 10. Egalement à titre d'exemple, l'activation de la mise hors gel peut 15 résulter des conditions suivantes : la température dans la ligne d'échappement est inférieure à 3°C et la température du fluide de refroidissement du moteur principal est inférieure à 3°C. Si la pression dans le circuit 1 est supérieure à 0,5 bars absolus, alors la pompe à vide 8 est activée préalablement à l'ouverture du distributeur 20 de vidange 10. Lorsque le système est implanté sur un véhicule, les différentes valeurs de température et de pression peuvent être acquises soit par des capteurs dédiés au système, soit reprise de capteurs déjà présents sur 25 le véhicule. Par exemple, les véhicules ont pour la plupart un capteur de température ambiante ; cette information peut ainsi être obtenue sans nécessiter l'ajout d'un capteur additionnel dédié au système. Le fluide de travail est par exemple de l'eau. 30 Le réservoir 7 est dimensionné de manière à permettre de recueillir tout le fluide de travail du système.If the pressure in the circuit 1 is greater than 0.5 bar absolute, then the vacuum pump 8 is activated prior to the opening of the drain valve 10. Also by way of example, the activation of the frost protection may result from the following conditions: the temperature in the exhaust line is less than 3 ° C and the temperature of the main engine coolant is less than 3 ° C. If the pressure in the circuit 1 is greater than 0.5 bar absolute, then the vacuum pump 8 is activated prior to the opening of the discharge valve 10. When the system is installed on a vehicle, the different temperature values and pressure can be acquired either by sensors dedicated to the system, or recovery sensors already present on the vehicle. For example, most vehicles have an ambient temperature sensor; this information can thus be obtained without requiring the addition of an additional sensor dedicated to the system. The working fluid is for example water. The reservoir 7 is sized to collect all of the working fluid from the system.
Le réservoir 7 est avantageusement calorifugé. Il comprend de plus avantageusement des moyens de chauffage 14, adaptés pour réaliser un dégel du fluide de travail contenu dans le réservoir 7, ces moyens de chauffage 14 étant typiquement couplés à une sonde de température pour contrôler l'état du fluide de travail dans le réservoir 7 ou à un calorstat. Dans le cas d'un système embarqué sur un véhicule, les moyens de chauffage 14 peuvent par exemple exploiter la chaleur issue des gaz d'échappement du véhicule, au moyen d'un échangeur thermique disposé dans le pot d'échappement du véhicule, ou exploiter la chaleur du circuit de refroidissement du véhicule via un échangeur approprié. La pompe à vide 8 est reliée au réservoir 7, à un point haut du réservoir 7 de manière à s'assurer que la pompe à vide 8 ne prélève pas de fluide de travail sous forme liquide. Le basculement du distributeur de vidange 10 de sa première à sa seconde configuration peut être configuré de manière à se déclencher lorsque des conditions sont réunies, par exemple tout ou partie des conditions suivantes : - Le véhicule est à l'arrêt, - La température du fluide de travail est inférieure ou égale à une valeur seuil, - La pression dans le réservoir 7 est inférieure ou égale à une valeur seuil, inférieure à la pression atmosphérique. La pompe 2 est arrêtée préalablement à la vidange du circuit 1. De plus, la pompe à vide 8 peut également être activée lors du fonctionnement du système. Elle permet ainsi de maintenir une dépression au refoulement du circuit 1, c'est-à-dire dans la partie du circuit se trouvant après la machine de détente 4, par l'évacuation des gaz extérieurs incondensables ayant pénétrés dans le circuit.The reservoir 7 is advantageously insulated. It also advantageously comprises heating means 14, adapted to thaw the working fluid contained in the tank 7, these heating means 14 being typically coupled to a temperature probe for monitoring the state of the working fluid in the tank. tank 7 or to a calorstat. In the case of a system embedded in a vehicle, the heating means 14 may, for example, exploit the heat coming from the exhaust gases of the vehicle, by means of a heat exchanger disposed in the muffler of the vehicle, or use the heat of the vehicle's cooling system via a suitable exchanger. The vacuum pump 8 is connected to the reservoir 7, at a high point of the reservoir 7 so as to ensure that the vacuum pump 8 does not draw working fluid in liquid form. The changeover of the drain distributor 10 from its first configuration to its second configuration can be configured to trigger when conditions are met, for example all or some of the following conditions: - The vehicle is stopped, - The temperature of the working fluid is less than or equal to a threshold value, - the pressure in the reservoir 7 is less than or equal to a threshold value, less than atmospheric pressure. The pump 2 is stopped prior to draining the circuit 1. In addition, the vacuum pump 8 can also be activated during operation of the system. It thus makes it possible to maintain a negative pressure at the discharge of the circuit 1, that is to say in the part of the circuit located after the expansion machine 4, by the evacuation of the incondensable external gases having entered the circuit.
Ainsi, conserver la pompe à vide 8 active lors du fonctionnement du système permet d'accroître le ratio de pression entre l'admission et l'échappement de la machine de détente 4. A titre d'exemple, des tests ont permis d'obtenir un rapport 30/1 entre la pression à l'admission (30 bar) et la pression au refoulement (1 bar) de la machine de détente 4 lorsque la pompe à vide 8 n'est pas activée et que de l'air a pénétré dans le circuit. En revanche, en activant la pompe à vide 8, la pression au refoulement de la machine de détente 4 est abaissée à sensiblement 0,6 bar lorsque le réservoir 7 est à une température de l'ordre de 80°C ; on passe donc d'un ratio de 30 à un ratio de 50 entre l'admission et le refoulement de la machine de détente 4. Ceci a plusieurs effets positifs, on peut citer notamment un meilleur échappement de la machine de détente 4, et une réduction du travail de re-compression lors de la remontée du piston. L'invention proposée permet ainsi de réaliser une vidange du fluide de travail d'un circuit opérant un cycle de Rankine, la vidange étant réalisée au moyen de l'admission d'air extérieur due à la dépression régnant dans le circuit à l'arrêt et à température ambiante, qui vient chasser le fluide de travail du circuit. L'exploitation d'une pompe à vide permet d'expulser du circuit des gaz extérieurs incondensables y ayant pénétré et permet ainsi, par le maintien de la dépression naturelle résultant de l'abaissement de la température du circuit 1, de réaliser une vidange quasi complète du circuit, contrairement aux pompes conventionnelles qui ne permettent de réaliser qu'une vidange partielle et qui présentent des inconvénients en termes de durée de vie lorsqu'elles fonctionnent à sec. Le système est ainsi protégé des risques liés au gel, sans nécessiter 30 l'utilisation d'additifs qui nuiraient aux performances à haute température, ni entrainer une complexification du système ou une dégradation des composants.Thus, keeping the vacuum pump 8 active during operation of the system increases the pressure ratio between the inlet and the exhaust of the expansion machine 4. For example, tests have made it possible to obtain a 30/1 ratio between the inlet pressure (30 bar) and the discharge pressure (1 bar) of the expansion machine 4 when the vacuum pump 8 is not activated and air has entered in the circuit. On the other hand, by activating the vacuum pump 8, the discharge pressure of the expansion machine 4 is lowered to substantially 0.6 bar when the reservoir 7 is at a temperature of the order of 80 ° C .; we therefore go from a ratio of 30 to a ratio of 50 between the inlet and the discharge of the expansion machine 4. This has several positive effects, we can cite in particular a better exhaust of the expansion machine 4, and a reduction of the work of re-compression during the ascent of the piston. The proposed invention thus makes it possible to drain the working fluid of a circuit operating a Rankine cycle, the emptying being carried out by means of the external air intake due to the depression prevailing in the circuit at a standstill. and at room temperature, which comes to drive the working fluid from the circuit. The operation of a vacuum pump makes it possible to expel from the circuit incondensable external gases that have penetrated and thus makes it possible, by maintaining the natural depression resulting from the lowering of the temperature of the circuit 1, to perform a near-emptying complete circuit, unlike conventional pumps that only achieve partial emptying and have disadvantages in terms of life when running dry. The system is thus protected from the risks of freezing, without the need for the use of additives that would adversely affect the high temperature performance, or cause a complexification of the system or degradation of the components.
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Legal Events
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Effective date: 20201209 |