FR3067384A1

FR3067384A1 - Machine de detente et procede de demarrage d'une telle machine

Info

Publication number: FR3067384A1
Application number: FR1755276A
Authority: FR
Inventors: Edouard DAVIN; Stephane Watts; Antoine DEBAISE; Xavier DURAND; Remi Daccord
Original assignee: Exoes SAS
Current assignee: Exoes SAS
Priority date: 2017-06-13
Filing date: 2017-06-13
Publication date: 2018-12-14

Abstract

L invention concerne une machine de détente, comprenant : - une zone (1) dite de « haute pression », - une zone (2) d expansion reliée à la zone (1) de haute pression, - une zone (31) dite de « basse pression » adaptée pour recevoir le fluide de travail à l état détendu évacué de la zone d expansion, ladite zone (31) de basse pression étant reliée à un échappement (811) de la machine, - un réservoir (5) destiné à contenir un lubrifiant à l état liquide, - un séparateur (32) relié à la zone de basse pression (31) et à l échappement (811), adapté pour séparer une fraction de lubrifiant à l état liquide vis-à-vis du fluide de travail à l état gazeux détendu, - un circuit (833, 831) de retour de la fraction de lubrifiant séparée par le séparateur (32) vers le réservoir (5) de lubrifiant, - un organe déprimogène (33) relié au réservoir (5) de lubrifiant par un évent (814), l organe déprimogène (33) étant en outre relié au séparateur (32) et adapté pour mettre le réservoir (5) de lubrifiant en dépression par rapport au séparateur (32) de sorte à permettre : • le transfert de la fraction de lubrifiant à l état liquide du séparateur (32) au réservoir (5) de lubrifiant par le circuit de retour (833, 831), et • l aspiration d au moins une fraction du fluide de travail présent à l état gazeux dans le réservoir (5) vers l échappement (811) de la machine.

Description

MACHINE DE DETENTE ET PROCEDE DE DEMARRAGE D’UNE TELLE MACHINE

DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention concerne une machine de détente et un procédé de démarrage d’une telle machine.

ETAT DE LA TECHNIQUE

On connaît des systèmes de conversion de la chaleur issue d’un moteur en énergie mécanique. De tels ensembles sont notamment connus pour la conversion de chaleur émise par des moteurs à combustion interne, qui est notamment dissipée lors de l’expulsion des gaz d’échappement et est donc perdue.

De tels ensembles sont soumis à des contraintes de poids et d’encombrement exigeantes. Ils tendent ainsi à devenir de plus en plus compacts.

Ces systèmes fonctionnent avec un fluide de travail que l’on soumet à un cycle thermodynamique de Rankine comprenant une compression, une évaporation complétée d’une éventuelle surchauffe, une détente dans une machine de détente et une condensation. La détente au sein de la machine de détente permet d’actionner des organes mobiles tels que des pistons afin d’obtenir de l’énergie mécanique.

Ces machines de détente comprenant des pièces mobiles, elles nécessitent conventionnellement l’utilisation d’un lubrifiant au niveau des liaisons mécaniques entre les pièces mobiles telles que les roulements ou plus généralement les surfaces de contact.

On s’intéresse en particulier aux systèmes comprenant une machine de détente qui comprend une culasse d’admission d’un fluide de travail à l’état gazeux sous pression, une zone d’expansion, un carter contenant un lubrifiant à l’état liquide, dans lequel est disposée une liaison mécanique.

Le fluide de travail circule dans un circuit primaire, et le lubrifiant est quant à lui essentiellement confiné dans le carter. Cependant, une faible portion de lubrifiant est admise dans le circuit primaire et est entraînée par le fluide de travail, tandis que du fluide de travail peut se trouver en quantité dans le carter, sous forme de vapeur et/ou dissous dans le lubrifiant,

La présence de fluide de travail dans le carter et inversement de lubrifiant dans le circuit primaire est susceptible d’engendrer un certain nombre de problèmes.

En effet, la présence de fluide de travail au niveau des zones lubrifiées dans le carter entraîne une détérioration de la qualité de la lubrification. Le fluide de travail peut ainsi diluer le lubrifiant dont la viscosité et les propriétés lubrifiantes seraient affectées.

De plus, la fuite de lubrifiant vers le circuit primaire présente plusieurs inconvénients.

En premier lieu, on réduit la quantité de lubrifiant au niveau des liaisons mécaniques, ce qui peut provoquer une usure et une détérioration des pièces mobiles.

Par ailleurs, les lubrifiants utilisés conventionnellement ne sont pas adaptés pour être exposés à des températures élevées telles que celles auxquelles est exposé le fluide de travail, les gaz d’échappement d’un véhicule diesel pouvant par exemple atteindre une température de l’ordre de 500 °C. La température en certains points du circuit primaire peut ainsi présenter des températures élevées, par exemple de l’ordre de 250°C. Le lubrifiant est alors susceptible de se décomposer et risque ainsi de perdre ses propriétés de lubrification. Sa décomposition peut également entraîner la formation de composés chimiques nuisibles au système. Il en découlera des maintenances fréquentes.

Enfin, une importante quantité de lubrifiant en circulation dans le circuit primaire détériorera les performances d’échange thermique au niveau des échangeurs de chaleur (évaporateur et condenseur) et augmentera les pertes de charge du circuit.

Les exigences croissantes en termes de compacité entraînent une réduction des zones séparant le fluide de travail du lubrifiant, ce qui accroît cette problématique.

La proportion de lubrifiant dans le circuit primaire est définie par le taux d’OCR (acronyme du terme anglo-saxon « Oil Circulation Rate »).

Pour diminuer le taux d’OCR, il est connu d’installer un séparateur à la sortie de la machine de détente, en vue de récupérer, à l’échappement de cette machine, la portion liquide contenue dans le fluide de travail, cette portion liquide étant principalement du lubrifiant. Ce liquide descend par gravité dans un récipient depuis lequel il est ensuite pompé pour être injecté dans le circuit de lubrification de la machine.

Le document FR3029561 décrit ainsi une machine de détente à pistons qui comprend une culasse d’admission d’un fluide de travail à l’état gazeux sous pression, une zone d’expansion, un carter contenant un lubrifiant à l’état liquide, dans lequel est disposée une liaison mécanique entre chaque piston et un arbre. Le fluide de travail à l’état détendu est évacué vers une zone d’échappement de la machine, dans laquelle est agencé un dispositif de séparation du lubrifiant vis-à-vis du fluide de travail. Ce dispositif est situé en haut de la machine afin d'assurer un retour gravitaire du lubrifiant vers le carter. Cependant, cette disposition ne convient pas à toutes les conditions d'opération de la machine et dans certains cas, la hauteur n'est pas suffisante pour contrer la perte de charge du dispositif de séparation qui tend à faire remonter le lubrifiant et la vapeur de fluide de travail par le retour de lubrifiant au lieu de les laisser descendre.

On peut aussi également utiliser un séparateur à l’entrée de la machine, comme le décrit le document EP2662539. Cependant, cela ne permet pas de diminuer l’OCR et l’huile utilisée pour lubrifier la machine est chaude ce qui diminue sa viscosité.

Par ailleurs, le problème du démarrage de la machine de détente se pose. En effet, lorsqu’un fluide de travail tel que l’eau ou l’éthanol est utilisé, afin d’éviter la mise en dépression du cycle Rankine à l’arrêt, le circuit primaire est noyé de fluide de travail liquide issu d’un réservoir déformable. La machine de détente est alors remplie de fluide liquide qu’il convient de purger au moyen d’un circuit de dérivation (« by-pass » selon la terminologie anglo-saxonne) du fluide de travail sous pression avant la mise en rotation.

Dans le cas de la machine décrite dans le document FR3029561, l’échappement par le haut de la machine conduit à un temps de démarrage relativement long car aucun drainage gravitaire n'est possible. Lors du démarrage de cette machine, il convient alors d'évaporer tout le liquide contenu dans la machine de détente à l'arrêt grâce à la vapeur de dérivation, ce qui peut être très long (de l’ordre de 20 à 40 minutes) alors qu'un temps de démarrage idéal est plutôt de l'ordre de 3 minutes.

BREVE DESCRIPTION DE L'INVENTION

Un but de l’invention est de concevoir une machine de détente qui permette de réduire le taux d’OCR tout en étant correctement lubrifiée à tout moment, y compris pendant son démarrage. Un but de l’invention est également de concevoir une machine qui puisse être démarrée rapidement.

Conformément à l'invention, il est proposé une machine de détente, comprenant :

une zone dite de « haute pression » pour l’admission d’un fluide de travail à l’état gazeux sous pression, comprenant au moins un orifice d’admission dudit fluide de travail, une zone d’expansion reliée à la zone de haute pression, comprenant des moyens mécaniques configurés pour convertir le travail de détente fourni par la détente du fluide de travail à l’état gazeux en un couple de rotation d’un arbre de sortie auquel ils sont liés par une liaison mécanique, la zone d’expansion comprenant au moins un orifice de sortie adapté pour évacuer le fluide de travail à l’état gazeux détendu de la zone d’expansion, une zone dite de « basse pression » reliée audit au moins un orifice de sortie, adaptée pour recevoir le fluide de travail à l’état détendu évacué de la zone d’expansion, ladite zone de basse pression étant reliée à un échappement de la machine, un réservoir destiné à contenir un lubrifiant à l’état liquide pour lubrifier les moyens mécaniques, ledit réservoir étant susceptible de contenir en outre une fraction de fluide de travail à l’état gazeux au-dessus du lubrifiant, et le fluide de travail étant susceptible de contenir une fraction de lubrifiant à l’état liquide, un séparateur relié à la zone de basse pression et à l’échappement, adapté pour séparer la fraction de lubrifiant à l’état liquide vis-à-vis du fluide de travail à l’état gazeux détendu, un circuit de retour de la fraction de lubrifiant séparée par le séparateur vers le réservoir de lubrifiant, la machine de détente étant caractérisée en ce qu’elle comprend en outre un organe déprimogène relié au réservoir de lubrifiant par un évent, l’organe déprimogène étant en outre relié au séparateur et adapté pour mettre le réservoir de lubrifiant en dépression par rapport au séparateur de sorte à permettre :

• le transfert de la fraction de lubrifiant à l’état liquide du séparateur au réservoir de lubrifiant par le circuit de retour, et • l’aspiration d’au moins une fraction du fluide de travail présent à l’état gazeux dans le réservoir vers l’échappement de la machine.

Dans le présent texte, le terme « relié à » désigne l’existence d’une liaison fluidique entre deux éléments.

Par « organe déprimogène » on entend dans le présent texte un dispositif inséré dans un circuit de fluide de manière à limiter l'écoulement du fluide et ainsi créer une chute de pression.

Dans le présent texte, les termes «supérieur» / «inférieur», «au-dessus» / «audessous » ou « haut » / « bas » s’agissant de la position d’un composant de la machine s’entendent dans la position normale d’utilisation de la machine de détente.

Selon d’autres caractéristiques avantageuses de l’invention, considérées seules ou en combinaison :

- l’évent définit un niveau de fluide dans le réservoir, la mise en dépression du réservoir par l’organe déprimogène entraînant le transfert de tout fluide situé au-dessus du niveau défini par l’évent dans le réservoir de lubrifiant vers la zone de basse pression ;

- la machine comprend une pompe reliée au réservoir de lubrifiant, liée mécaniquement à l’arbre de sortie et adaptée pour alimenter la liaison mécanique en lubrifiant ;

- les moyens mécaniques comprennent une pluralité de cylindres dans lesquels coulisse un piston respectif ;

- ladite machine est axiale, chaque piston étant parallèle à l’arbre de sortie ;

- ladite machine est une machine de détente à spirale ;

- l’organe déprimogène est un diaphragme ou un venturi ;

- le séparateur est un séparateur cyclonique ;

- le circuit de retour de la fraction séparée de lubrifiant est agencé dans une partie supérieure de la machine de sorte à asperger la liaison mécanique de lubrifiant ;

- la machine comprend un système de dérivation adapté pour injecter au moins une fraction de fluide de travail sous pression directement dans la zone de basse pression sans passer par la zone d’expansion ;

- le système de dérivation comprend une vanne à trois voies, dont une voie d’entrée du fluide de travail, une première voie de sortie reliée à l’orifice d’admission de la zone de haute pression et adaptée pour transférer au moins une première fraction de fluide de travail dans ladite zone de haute pression, et une seconde voie de sortie reliée à la zone de basse pression et adaptée pour transférer au moins une seconde fraction de fluide de travail directement dans ladite zone de basse pression sans passer par la zone d’expansion ;

- le système de dérivation comprend une vanne à deux voies, dont une voie d’entrée du fluide de travail, reliée à un orifice de sortie de la zone (1) de haute pression, et une voie de sortie reliée à la zone de basse pression et adaptée pour transférer le fluide de travail directement dans ladite zone de basse pression sans passer par la zone d’expansion.

Un autre objet concerne un système de conversion d’énergie thermique issue d’un moteur à combustion comprenant une machine de détente telle que décrite ci-dessus.

Un autre objet concerne un procédé de démarrage de ladite machine de détente.

Selon un mode de réalisation dans lequel la machine de détente est munie d’un système de dérivation comprenant la vanne à trois voies, la machine étant initialement remplie de fluide de travail à l’état liquide, le procédé de démarrage comprend :

- la dérivation d’au moins une partie du fluide de travail à l’état gazeux sous pression vers la zone de basse pression afin de purger la zone d’expansion et la zone de basse pression et chauffer la machine,

- le drainage d’au moins une partie du fluide présent dans le réservoir de lubrifiant par l’organe déprimogène,

- l’alimentation du réservoir en lubrifiant à l’état liquide depuis le séparateur par le circuit de retour,

- le démarrage de la machine de détente lorsqu’une température fonctionnelle de la machine atteint une température prédéterminée.

L’étape de dérivation du fluide de travail peut comprendre successivement :

- une première phase dans laquelle la totalité du fluide sous pression est dirigée vers la zone de basse pression ; et

- une seconde phase comprenant conjointement :

• l’admission d’une partie du fluide de travail à l’état gazeux dans la zone de haute pression au travers de l’orifice d’admission par la première voie de sortie de la vanne, et • le transfert d’une autre partie du fluide de travail à l’état gazeux dans la zone de basse pression par la seconde voie de sortie de la vanne.

Selon un mode de réalisation dans lequel la machine de détente est munie d’un système de dérivation comprenant la vanne à deux voies, la machine étant initialement remplie de fluide de travail à l’état liquide, le procédé de démarrage comprend :

- l’admission du fluide de travail sous pression dans la zone de haute pression au travers de l’orifice d’admission,

- la dérivation du fluide de travail de la zone de haute pression vers la zone de basse pression afin de purger la zone d’expansion et la zone de basse pression et chauffer la machine,

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de l’invention qui va suivre, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :

- la figure 1 illustre un premier mode de réalisation de la machine d’expansion, comprenant une vanne de dérivation à trois voies,

- la figure 2 illustre un deuxième mode de réalisation de la machine d’expansion, comprenant une vanne de dérivation à trois voies,

- la figure 3 illustre un troisième mode de réalisation de la machine d’expansion, comprenant une vanne de dérivation à deux voies,

- la figure 4 illustre un quatrième mode de réalisation de la machine d’expansion, comprenant une vanne de dérivation à deux voies,

- la figure 5 illustre un cinquième mode de réalisation de la machine d’expansion, comprenant une vanne de dérivation à trois voies,

- la figure 6 illustre un sixième mode de réalisation de la machine d’expansion, comprenant une vanne de dérivation à deux voies,

- la figure 7 est un synoptique du procédé de fonctionnement de la machine d’expansion selon l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION DE L’INVENTION

L’invention s’applique à toute machine de détente de type volumétrique. Ce type de machine inclut :

- les machines de détente à pistons, notamment les machines à pistons axiaux,

- les machines de détente à spirale, également appelées « scroll expanders » selon la terminologie anglo-saxonne,

- les machines de détente à vis, également appelées « screw expanders » selon la terminologie anglo-saxonne.

Une telle machine de détente est destinée notamment à être utilisée dans un cycle de Rankine. De manière connue en elle-même, le cycle de Rankine comprend un circuit primaire reliant une pompe adaptée pour délivrer un certain débit de fluide de travail, un premier échangeur thermique ou évaporateur, la machine de détente, un second échangeur thermique ou condenseur, et un système de dérivation.

La pompe alimente l’évaporateur en fluide de travail à l’état liquide sous pression. L’évaporateur est agencé dans un milieu à température élevée et réalise ainsi un transfert thermique entre ledit milieu et le fluide de travail, de sorte que le fluide sortant de l’évaporateur est à l’état gazeux sous pression. Ledit fluide de travail à haute pression (typiquement de l’ordre de 40 bars) entre dans la machine de détente dans laquelle il subit une détente qui permet d’entraîner des moyens mécaniques liés à un arbre de sortie, convertissant ainsi le travail de détente fourni par la détente du fluide de travail à l’état gazeux en un couple de rotation de l’arbre de sortie. Selon les applications, l’arbre de sortie peut être couplé à un arbre d’un moteur à combustion interne afin d’y réinjecter un couple mécanique, ou bien à des moyens de conversion d’énergie tels qu’une génératrice électrique afin de convertir l’énergie de la détente en énergie électrique.

Le fluide de travail sortant de la machine de détente par son échappement est à l’état gazeux à basse pression (typiquement de l’ordre de 2,2 bars). Il passe alors dans le condenseur qui est disposé dans un milieu à basse température afin de réaliser un échange thermique entre le fluide de travail et ledit milieu, ce qui conduit à ramener le fluide de travail à l’état liquide.

Le fluide de travail est alors réinjecté dans le circuit primaire par la pompe.

Le fonctionnement du système de dérivation sera expliqué en détail plus bas.

D’une manière générale, la machine de détente comprend une zone dite de haute pression, dans laquelle est admis le fluide de travail sous pression. A cet effet, la zone de haute pression comprend au moins un orifice d’admission du fluide de travail.

La zone de haute pression est reliée à une zone d’expansion, où se produit la détente du fluide de travail.

Dans la zone d’expansion sont agencés des moyens mécaniques configurés pour convertir le travail de détente fourni par la détente du fluide de travail à l’état gazeux en un couple de rotation de l’arbre de sortie. Les moyens mécaniques sont liés à l’arbre de sortie par une liaison mécanique, qui doit être lubrifiée.

Par exemple, dans le cas d’une machine de détente à piston, lesdits moyens mécaniques comprennent des pistons coulissant dans des cylindres respectifs. Si ladite machine est axiale, les pistons sont parallèles à l’arbre de sortie et peuvent être liés audit arbre par l’intermédiaire d’un plateau incliné entraîné en rotation par la translation des pistons (machine connue sous le terme anglo-saxon de « swashplate ») ou par un plateau oscillant sous l’effet de la translation des pistons (machine connue sous le terme anglo-saxon de « wobble plate »). Dans le cas d’une machine de détente à spirale (« scroll expander»), les moyens mécaniques comprennent un stator et un rotor en forme de spirales imbriquées définissant entre elles une chambre dont le volume varie au cours du déplacement du rotor, le rotor étant lié mécaniquement à l’arbre de sortie. Ces différentes machines sont connues en elles-mêmes et ne nécessitent donc pas d’être décrites plus en détail dans le présent texte.

La zone d’expansion comprend par ailleurs au moins un orifice de sortie adapté pour évacuer le fluide de travail à l’état gazeux détendu de la zone d’expansion.

La machine de détente comprend par ailleurs une zone dite de basse pression reliée audit au moins un orifice de sortie, dans laquelle est admis le fluide de travail à l’état gazeux détendu.

La zone de basse pression est en outre reliée à l’échappement de la machine par l’intermédiaire d’au moins un orifice d’échappement permettant au fluide de travail de sortir de la machine de détente pour poursuivre sa circulation dans le circuit primaire.

Pour lubrifier la liaison mécanique, la machine de détente comprend un réservoir de lubrifiant, destiné à contenir un volume nominal de lubrifiant à l’état liquide.

Un circuit de lubrification est agencé dans la machine de sorte à amener du lubrifiant au niveau de la liaison mécanique susmentionnée, et pour collecter le lubrifiant en provenance de la liaison mécanique.

Selon les cas, le circuit de lubrification peut comprendre une pompe à lubrifiant agencée à la sortie du réservoir de lubrifiant et liée mécaniquement à l’arbre de sortie, éventuellement associée à un filtre destiné à éviter d’introduire des impuretés au niveau de la liaison mécanique. La pompe et le filtre sont avantageusement intégrés à la machine de détente. De manière alternative, le réservoir de lubrifiant peut se présenter sous la forme d’un carter dans lequel est agencée la liaison mécanique.

Selon un mode de réalisation, le réservoir de lubrifiant peut être agencé au-dessus de la liaison mécanique. Cette configuration est notamment avantageuse en ce qu’elle permet de gaver la pompe susmentionnée et éviter ainsi les phénomènes de cavitation. Par ailleurs, cette configuration permet éventuellement de se passer d’une telle pompe, en alimentant directement la liaison mécanique par gravité. Le cas échéant, on peut relier le réservoir à un canal excentré formé dans l’arbre qui génère une force centrifuge suffisante pour créer un effet de pompage.

Par ailleurs, le réservoir de lubrifiant n’est pas nécessairement intégré à la machine de détente mais peut être agencé à l’extérieur de celle-ci et relié à la liaison mécanique.

Par ailleurs, pour diminuer le taux de lubrifiant dans le fluide de travail sortant de la machine de détente, la machine comprend un séparateur adapté pour séparer le lubrifiant à l’état liquide du fluide de travail à l’état gazeux détendu.

Ledit séparateur peut être avantageusement un séparateur cyclonique.

Le séparateur est relié à la zone de basse pression. Il peut éventuellement être intégré dans ladite zone de basse pression, comme cela a été décrit dans le document FR3029561. Cependant, selon le compromis à atteindre entre l’efficacité de la séparation et la compacité de la machine de détente, il est également possible d’agencer le séparateur à l’extérieur de la zone de basse pression, en liaison fluidique avec l’orifice de sortie de celle-ci. Ceci permet d’utiliser un séparateur de dimensions suffisamment grandes pour effectuer une séparation efficace du lubrifiant vis-à-vis du fluide de travail, tout en minimisant le volume de la zone de basse pression.

De préférence, la zone de basse pression et le séparateur de lubrifiant sont placés dans une partie inférieure de la machine. En effet, lors du démarrage de la machine, un tel emplacement de la zone de basse pression permet de drainer le liquide contenu dans la machine à l’arrêt par gravité, ce qui permet de l’évacuer rapidement (en quelques minutes). Au contraire, lorsque la zone de basse pression est située dans une partie supérieure de la machine, un tel drainage gravitaire n’est pas possible et c’est alors la vapeur de dérivation qui doit évaporer tout le liquide contenu dans la machine, ce qui est beaucoup plus long (de l’ordre de 20 à 40 minutes).

La machine comprend en outre un circuit de retour de la fraction de lubrifiant séparée par le séparateur vers le réservoir de lubrifiant. Dans la mesure où, comme indiqué plus haut, le séparateur de lubrifiant est situé dans une partie inférieure de la machine, le retour de la fraction de lubrifiant séparée ne peut pas reposer sur la gravité. Selon l’invention, le retour du lubrifiant est provoqué par un organe déprimogène qui génère, dans le réservoir de lubrifiant, une zone à plus basse pression que dans le reste de la machine, vers laquelle est conduit le lubrifiant.

L’organe déprimogène est relié au réservoir de lubrifiant par un évent, et est également relié au séparateur, lequel est relié à la zone de basse pression comme indiqué précédemment.

Selon un mode de réalisation, l’organe déprimogène est un venturi. Dans ce cas, la liaison fluidique entre l’organe déprimogène et le réservoir de lubrifiant comprend un conduit s’étendant entre le col du venturi et l’évent. De manière alternative, l’organe déprimogène est un diaphragme. Dans ce cas, la liaison fluidique entre l’organe déprimogène et le réservoir de lubrifiant comprend un conduit s’étendant entre un piquage agencé en aval du diaphragme et l’évent. Le venturi est généralement préféré car, pour une dépression donnée, il présente une perte de charge inférieure.

L’organe déprimogène est configuré pour mettre le réservoir de lubrifiant en dépression par rapport au séparateur de sorte à permettre :

• d’une part, le transfert de la fraction de lubrifiant à l’état liquide du séparateur au réservoir de lubrifiant par le circuit de retour susmentionné, et • d’autre part, l’aspiration d’au moins une fraction du fluide de travail présent à l’état gazeux dans le réservoir vers l’échappement de la machine.

Ainsi, l’utilisation d’un composant passif tel que l’organe déprimogène permet de s’affranchir de l’utilisation d’une pompe de relevage pour le retour de lubrifiant du séparateur vers le réservoir de lubrifiant, et d’assurer simultanément le retour du fluide de travail du réservoir vers l’échappement.

Selon un mode de réalisation, le séparateur, l’organe déprimogène et le réservoir de lubrifiant peuvent former un ensemble qui n’est pas intégré à la machine mais agencé à l’extérieur de celle-ci et relié d’une part à la zone de basse pression et d’autre part à la liaison mécanique par le circuit de retour de lubrifiant.

Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, l’évent définit un niveau de fluide dans le réservoir de lubrifiant. Ce niveau est typiquement au-dessus d’un niveau nominal de lubrifiant dans le réservoir.

Ainsi, lors du démarrage de la machine, l’évent permet d’aspirer tout le fluide contenu dans le réservoir au-dessus du niveau (correspondant à un mélange de lubrifiant et de fluide de travail à l’état liquide), ce qui permet de drainer le réservoir.

En fonctionnement établi, le fluide présent dans le réservoir au-dessus du niveau défini par l’évent est essentiellement du fluide de travail à l’état gazeux, qui peut donc être réaspiré par l’évent vers la zone de basse pression.

De manière avantageuse, le circuit de retour de la fraction séparée de lubrifiant est agencé dans une partie supérieure de la machine de sorte à asperger la liaison mécanique de lubrifiant. Lors du démarrage de la machine, ceci permet de renouveler le film de lubrifiant qui a été lessivé par le fluide de travail liquide pendant l’arrêt de la machine. On assure ainsi une lubrification correcte de la liaison mécanique dès les premières rotations de la machine de détente, même si le circuit de lubrifiant n’est pas encore amorcé ou que le débit d’huile pompé est trop faible. Lorsque le lubrifiant monte en température, le fluide de travail dissous dans le lubrifiant se vaporise. Les bulles de vapeur ainsi créées réduisent le débit de lubrifiant effectif dans la zone d’alimentation de la pompe à lubrifiant en prenant la place d’une partie du volume de lubrifiant aspiré. Cependant, l’aspersion de la liaison mécanique par les retours de lubrifiant du séparateur permet une lubrification complémentaire de la liaison mécanique à tout moment.

On va maintenant décrire le système de dérivation de la machine de détente. D’une manière générale, le système de dérivation est configuré pour injecter au moins une fraction de fluide de travail sous pression directement dans la zone de basse pression sans passer par la zone d’expansion.

Comme indiqué plus haut, lorsque la machine de détente est à l’arrêt, elle est remplie de fluide de travail à l’état liquide, ce fluide étant issu d’un réservoir déformable tel qu’un vase d’expansion ou un cylindre à piston mobile.

Le système de dérivation permet, dans la phase de démarrage de la machine, de pousser le liquide hors de la machine par le fluide de travail sous pression injecté dans la zone de basse pression, tout en réchauffant la machine.

Selon un mode de réalisation, le système de dérivation comprend une vanne à trois voies, à savoir :

- une voie d’entrée du fluide de travail,

- une première voie de sortie reliée à l’orifice d’admission de la zone de haute pression et adaptée pour transférer au moins une première fraction de fluide de travail dans ladite zone de haute pression, et

- une seconde voie de sortie reliée à la zone de basse pression et adaptée pour transférer au moins une seconde fraction de fluide de travail directement dans ladite zone de basse pression sans passer par la zone d’expansion.

La vanne à trois voies peut être utilisée en mode tout ou rien, c’est-à-dire pour diriger le fluide de travail soit vers la zone de haute pression soit vers la zone de basse pression, ou en mode mixte, c’est-à-dire pour diriger une partie du fluide de travail vers la zone de haute pression et l’autre partie vers la zone de basse pression. De préférence, la vanne est utilisée successivement selon ces deux modes :

- dans un premier temps, en dirigeant le fluide vers la zone de basse pression afin de drainer la zone de basse pression, chauffer le lubrifiant et initier une aspersion de la liaison mécanique par le retour de lubrifiant,

- dans un second temps, en mode mixte, de manière à drainer la zone de haute pression (il est en effet préférable de ne pas drainer la zone de haute pression immédiatement car la machine pourrait démarrer alors que la liaison mécanique n’est pas correctement lubrifiée, ce qui pourrait détériorer la machine).

Selon un autre mode de réalisation, le système de dérivation comprend une vanne à deux voies, à savoir :

- une voie d’entrée du fluide de travail, reliée à un orifice de sortie de la zone de haute pression, et

- une voie de sortie reliée à la zone de basse pression et adaptée pour transférer le fluide de travail directement dans ladite zone de basse pression sans passer par la zone d’expansion.

Avec ce système de dérivation, la zone de haute pression est constamment alimentée en fluide de travail sous pression et la vanne à deux voies ouvre un passage direct entre la zone de haute pression et la zone de basse pression, permettant de drainer la zone de haute pression, la zone de basse pression et chauffer la machine.

Les figures 1 à 6 illustrent différents modes de réalisation, non limitatifs, de la machine de détente selon l’invention. Sauf indication spécifique, les signes de référence utilisés dans ces différentes figures représentent des éléments identiques de la machine, ou tout au moins des éléments qui remplissent la même fonction. Dans un souci de concision, la description de ces éléments n’est pas répétée d’une figure à l’autre.

La figure 1 représente de manière schématique l’architecture de la machine de détente selon un mode de réalisation dans lequel le système de dérivation comprend une vanne à trois voies.

La machine est désignée par le repère 0. La machine comprend une entrée 810 par laquelle le fluide de travail sous pression, et comprenant un faible pourcentage de lubrifiant, entre dans la machine. La machine comprend en outre un échappement 811 par lequel le fluide de travail détendu et comprenant un faible pourcentage de lubrifiant, sort de la machine.

Une vanne de dérivation 9 à trois voies est agencée à l’entrée de la machine, avec une première voie de sortie reliée à un orifice d’admission de la zone de haute pression 1, et une seconde voie de sortie reliée à la zone de basse pression 31 (le repère 815 désignant un flux de fluide de travail détendu comprenant un faible pourcentage de lubrifiant, circulant dans un mode de dérivation).

La zone d’expansion 2 est agencée entre la zone de haute pression 1 et la zone de basse pression 31.

La machine comprend en outre un réservoir de lubrifiant 5 dans lequel la liaison mécanique 4 est agencée. Le repère 820 désigne l’effort mécanique exercé sur les moyens mobiles lors de la détente du fluide de travail dans la zone d’expansion 2. Le repère 821 désigne l’effort mécanique de couple exercé par l’arbre de sortie de la machine.

Une pompe 6 et un filtre à lubrifiant 7 assurent une circulation 830 de lubrifiant du fond du réservoir 5 vers le haut de la liaison mécanique 4 afin de lubrifier celle-ci.

Le séparateur 32 est agencé à la sortie de la zone de basse pression 31. Le séparateur 32 est en outre relié à l’organe déprimogène 33, lui-même relié à l’échappement 811 de la machine.

En fonctionnement normal de la machine, on observe les circulations de fluides suivantes :

- une fuite 832 de lubrifiant du réservoir vers la zone 31 de basse pression ;

- inversement, une fuite 812 de fluide de travail de la zone de basse pression vers la liaison mécanique 4,

- une aspiration de fluide de travail au travers de l’évent 814 par l’organe déprimogène 33, le fluide de travail ainsi aspiré étant ensuite évacué par l’échappement 811, accompagnée d’une fuite 832 de lubrifiant

- un retour de lubrifiant 833 du séparateur vers la liaison mécanique 4, et un retour de lubrifiant 831 de la liaison mécanique 4 vers le réservoir 5, ce retour s’accompagnant d’un retour 813 de fluide de travail à l’état détendu en provenance du séparateur 32.

La figure 2 représente de manière schématique l’architecture de la machine de détente selon un autre mode de réalisation dans lequel le système de dérivation comprend une vanne à trois voies.

Par rapport à la machine de la figure 1, la machine de la figure 2 ne comprend pas de pompe ni de filtre à lubrifiant pour amener du lubrifiant du réservoir 5 vers la liaison mécanique 4. La lubrification de la liaison mécanique 4 repose donc essentiellement sur le fait qu’elle est agencée dans le réservoir 5 et qu’elle est aspergée du retour de lubrifiant 833 en provenance du séparateur 32.

La figure 3 représente de manière schématique l’architecture de la machine de détente selon un mode de réalisation dans lequel le système de dérivation comprend une vanne à deux voies.

Une vanne de dérivation 9 à deux voies est agencée à la sortie de la zone de haute pression 1, la voie d’entrée du fluide de travail dans la vanne 9 étant reliée à un orifice de sortie de la zone de haute pression. La voie de sortie de la vanne 9 est reliée à la zone de basse pression 31 (le repère 815 désignant un flux de fluide de travail détendu comprenant un faible pourcentage de lubrifiant, circulant dans un mode de dérivation).

Hormis la vanne de dérivation, l’architecture de cette machine est similaire à celle de la figure 1.

La figure 4 représente de manière schématique l’architecture de la machine de détente selon un autre mode de réalisation dans lequel le système de dérivation comprend une vanne à deux voies.

Par rapport à la machine de la figure 3, la machine de la figure 4 ne comprend pas de pompe ni de filtre à lubrifiant pour amener du lubrifiant du réservoir 5 vers la liaison mécanique 4. La lubrification de la liaison mécanique 4 repose donc essentiellement sur le fait qu’elle est agencée dans le réservoir 5 et qu’elle est aspergée du retour de lubrifiant 833 en provenance du séparateur 32.

La figure 5 représente de manière schématique l’architecture de la machine de détente selon une variante de réalisation dans laquelle le système de dérivation comprend une vanne à trois voies.

Par rapport à la machine de la figure 1, la liaison mécanique 4 n’est pas agencée dans le réservoir 5 mais dans la zone de basse pression 31.

Pour la lubrification de la liaison mécanique, une pompe 6 et un filtre à lubrifiant 7 assurent une circulation 830 de lubrifiant du réservoir 5 vers la liaison mécanique 4.

- une fuite 832 de lubrifiant de la liaison mécanique 4 vers la zone 31 de basse pression ;

- une aspiration de fluide de travail au travers de l’évent 814 par l’organe déprimogène 33, le fluide de travail ainsi aspiré étant ensuite évacué par l’échappement 811, accompagnée d’une fuite 832 de lubrifiant,

- un retour de lubrifiant 833 du séparateur vers le réservoir 5, ce retour s’accompagnant d’un retour 813 de fluide de travail à l’état détendu en provenance du séparateur 32.

La figure 6 représente de manière schématique l’architecture de la machine de détente selon une variante de réalisation dans laquelle le système de dérivation comprend une vanne à deux voies.

Comme dans l’architecture de la figure 5, la liaison mécanique 4 est agencée dans la zone de basse pression 31.

La figure 7 est un synoptique du procédé de fonctionnement de la machine.

Dans une première étape 100, la machine est à l’arrêt. Comme expliqué plus haut, la machine est alors remplie de fluide de travail à l’état liquide provenant d’un réservoir déformable.

Pour démarrer la machine, il faut vider le fluide de travail à l’état liquide, et restaurer une lubrification correcte avant que les moyens mécaniques ne se mettent en mouvement.

A cet effet, on met en oeuvre le système de dérivation (étape 101).

Dans le cas d’une vanne à deux voies, le fluide de travail sous pression est admis dans la zone de haute pression puis directement dans la zone de basse pression par l’intermédiaire de la voie de sortie de la vanne, ce qui permet de drainer la zone de haute pression et la zone de basse pression tout en les chauffant. Les gouttes de liquide restant sur les parois de la machine peuvent donc s’évaporer rapidement.

Dans le cas d’une vanne à trois voies, on opère de préférence en deux phases, comme expliqué plus haut.

Par ailleurs, le réservoir de lubrifiant est drainé, de préférence par l’évent : le lubrifiant est séparé par le séparateur et retourne vers le réservoir par le circuit de retour. Le drainage du réservoir permet également de drainer la zone qui contient la liaison mécanique, le liquide présent dans celle-ci pouvant se déverser dans le réservoir au fur et à mesure du drainage de celui-ci.

La durée de l’opération de by-pass est typiquement de quelques minutes.

A l’issue de cette opération, la machine de détente est vidée du fluide de travail liquide, remplie de vapeur de fluide de travail et le réservoir de lubrifiant est à nouveau plein de lubrifiant. Le circuit de lubrification de la machine peut donc fonctionner correctement.

La fin de l’opération de by-pass peut typiquement être commandée par l’obtention d’une température fonctionnelle prédéterminée de la machine. L’homme du métier peut choisir la ou les températures fonctionnelles qui lui semblent pertinentes pour déclencher le démarrage. Par exemple, une telle température fonctionnelle peut être la température du lubrifiant, la température de la zone de haute pression, la température minimale de la machine, etc. La machine sera naturellement équipée des capteurs adéquats.

La machine peut alors démarrer (étape 102).

Dans une étape 103, la machine fonctionne selon un mode nominal. Pendant cette étape, les fuites de vapeur de fluide de travail vers la zone contenant la liaison mécanique et le réservoir de lubrifiant sont réaspirées au travers de l’évent par l’organe déprimogène vers l’échappement. Simultanément, les fuites de lubrifiant vers la zone de basse pression sont séparées par le séparateur et acheminées par le circuit de retour vers le réservoir de lubrifiant mis en dépression par l’organe déprimogène. Le cas échéant, la liaison mécanique est aspergée de lubrifiant du circuit de retour.

On assure ainsi un bon fonctionnement de la machine, tout en minimisant le pourcentage de lubrifiant dans le fluide de travail à la sortie de la machine.

Dans une étape 104, la machine est arrêtée.

Dans une étape 105, la machine est remplie de fluide de travail à partir du réservoir déformable.

Claims

REVENDICATIONS

1. Machine de détente, comprenant :

une zone (1) dite de « haute pression » pour l’admission d’un fluide de travail à l’état gazeux sous pression, comprenant au moins un orifice d’admission dudit fluide de travail, une zone (2) d’expansion reliée à la zone (1) de haute pression, comprenant des moyens mécaniques configurés pour convertir le travail de détente fourni par la détente du fluide de travail à l’état gazeux en un couple de rotation d’un arbre de sortie auquel ils sont liés par une liaison mécanique (4), la zone d’expansion (2) comprenant au moins un orifice de sortie adapté pour évacuer le fluide de travail à l’état gazeux détendu de la zone d’expansion, une zone (31) dite de «basse pression» reliée audit au moins un orifice de sortie, adaptée pour recevoir le fluide de travail à l’état détendu évacué de la zone d’expansion, ladite zone (31) de basse pression étant reliée à un échappement (811) de la machine, un réservoir (5) destiné à contenir un lubrifiant à l’état liquide pour lubrifier les moyens mécaniques, ledit réservoir étant susceptible de contenir en outre une fraction de fluide de travail à l’état gazeux au-dessus du lubrifiant, et le fluide de travail étant susceptible de contenir une fraction de lubrifiant à l’état liquide, un séparateur (32) relié à la zone de basse pression (31) et à l’échappement (811), adapté pour séparer la fraction de lubrifiant à l’état liquide vis-à-vis du fluide de travail à l’état gazeux détendu, un circuit (833, 831) de retour de la fraction de lubrifiant séparée par le séparateur (32) vers le réservoir (5) de lubrifiant, la machine de détente étant caractérisée en ce qu’elle comprend en outre un organe déprimogène (33) relié au réservoir (5) de lubrifiant par un évent (814), l’organe déprimogène (33) étant en outre relié au séparateur (32) et adapté pour mettre le réservoir (5) de lubrifiant en dépression par rapport au séparateur (32) de sorte à permettre :

• le transfert de la fraction de lubrifiant à l’état liquide du séparateur (32) au réservoir (5) de lubrifiant par le circuit de retour (833, 831), et • l’aspiration d’au moins une fraction du fluide de travail présent à l’état gazeux dans le réservoir (5) vers l’échappement (811) de la machine.
2. Machine selon la revendication 1, dans laquelle l’évent (814) définit un niveau de fluide dans le réservoir (5), la mise en dépression du réservoir (5) par l’organe déprimogène (33) entraînant le transfert de tout fluide situé au-dessus du niveau défini par l’évent (814) dans le réservoir (5) de lubrifiant vers la zone (31) de basse pression.
3. Machine selon l’une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce qu’elle comprend en outre une pompe (6) reliée au réservoir (5) de lubrifiant, liée mécaniquement à l’arbre de sortie et adaptée pour alimenter la liaison mécanique (4) en lubrifiant.
4. Machine selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens mécaniques comprennent une pluralité de cylindres dans lesquels coulisse un piston respectif.
5. Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite machine est axiale, chaque piston étant parallèle à l’arbre de sortie.
6. Machine selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite machine est une machine de détente à spirale.
7. Machine selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l’organe déprimogène (33) est un diaphragme ou un venturi.
8. Machine selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le séparateur (32) est un séparateur cyclonique.
9. Machine selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le circuit (833) de retour de la fraction séparée de lubrifiant est agencé dans une partie supérieure de la machine de sorte à asperger la liaison mécanique (4) de lubrifiant.
10. Machine selon l’une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu’elle comprend un système de dérivation adapté pour injecter au moins une fraction de fluide de travail sous pression directement dans la zone (31) de basse pression sans passer par la zone d’expansion (2).
11. Machine selon la revendication 10, caractérisée en ce que le système de dérivation comprend une vanne (9) à trois voies, dont une voie d’entrée du fluide de travail, une première voie de sortie reliée à l’orifice d’admission de la zone (1) de haute pression et adaptée pour transférer au moins une première fraction de fluide de travail dans ladite zone (1) de haute pression, et une seconde voie de sortie reliée à la zone (31) de basse pression et adaptée pour transférer au moins une seconde fraction de fluide de travail directement dans ladite zone de basse pression sans passer par la zone d’expansion (2).
12. Machine selon la revendication 10, caractérisée en ce que le système de dérivation comprend une vanne (9) à deux voies, dont une voie d’entrée du fluide de travail, reliée à un orifice de sortie de la zone (1) de haute pression, et une voie de sortie reliée à la zone (31) de basse pression et adaptée pour transférer le fluide de travail directement dans ladite zone (31) de basse pression sans passer par la zone (2) d’expansion.
13. Système de conversion d’énergie thermique issue d’un moteur à combustion comprenant une machine de détente selon l’une des revendications précédentes.
14. Procédé de démarrage d’une machine de détente munie d’un système de dérivation selon la revendication 11, la machine étant initialement remplie de fluide de travail à l’état liquide, caractérisé en ce qu’il comprend :

la dérivation d’au moins une partie du fluide de travail à l’état gazeux sous pression vers la zone (31) de basse pression afin de purger la zone (2) d’expansion et la zone (31) de basse pression et chauffer la machine, le drainage d’au moins une partie du fluide présent dans le réservoir (5) de lubrifiant par l’organe déprimogène (33), l’alimentation du réservoir (5) en lubrifiant à l’état liquide depuis le séparateur (32) par le circuit de retour (833, 831), le démarrage de la machine de détente lorsqu’une température fonctionnelle de la machine atteint une température prédéterminée.
15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que l’étape de dérivation du fluide de travail comprend successivement :

une première phase dans laquelle la totalité du fluide sous pression est dirigée vers la zone (31) de basse pression ; et une seconde phase comprenant conjointement :

• l’admission d’une partie du fluide de travail à l’état gazeux dans la zone (1)

5 de haute pression au travers de l’orifice d’admission par la première voie de sortie de la vanne (9), et • le transfert d’une autre partie du fluide de travail à l’état gazeux dans la zone (31) de basse pression par la seconde voie de sortie de la vanne (9).

10 16. Procédé de démarrage d’une machine de détente munie d’un système de dérivation selon la revendication 12, la machine étant initialement remplie de fluide de travail à l’état liquide, caractérisé en ce qu’il comprend :

l’admission du fluide de travail sous pression dans la zone (1) de haute pression au travers de l’orifice d’admission,

15 - la dérivation du fluide de travail de la zone (1) de haute pression vers la zone (31) de basse pression afin de purger la zone (2) d’expansion et la zone (31) de basse pression et chauffer la machine, le drainage d’au moins une partie du fluide présent dans le réservoir (5) de lubrifiant par l’organe déprimogène (33),
20 - l’alimentation du réservoir (5) en lubrifiant à l’état liquide depuis le séparateur (32) par le circuit de retour (833, 831), le démarrage de la machine de détente lorsqu’une température fonctionnelle de la machine atteint une température prédéterminée.