FR3082226A1 - Pack thermo-generateur - Google Patents
Pack thermo-generateur Download PDFInfo
- Publication number
- FR3082226A1 FR3082226A1 FR1800601A FR1800601A FR3082226A1 FR 3082226 A1 FR3082226 A1 FR 3082226A1 FR 1800601 A FR1800601 A FR 1800601A FR 1800601 A FR1800601 A FR 1800601A FR 3082226 A1 FR3082226 A1 FR 3082226A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- refrigeration
- heat
- superheater
- vaporizer
- fluid
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
- F03G7/04—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using pressure differences or thermal differences occurring in nature
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
- F01D15/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of engines with devices driven thereby
- F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03G6/00—Devices for producing mechanical power from solar energy
- F03G6/06—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means
- F03G6/065—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means having a Rankine cycle
- F03G6/067—Binary cycle plants where the fluid from the solar collector heats the working fluid via a heat exchanger
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- F03G7/00—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
- F03G7/04—Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using pressure differences or thermal differences occurring in nature
- F03G7/05—Ocean thermal energy conversion, i.e. OTEC
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
- F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
- F05D2220/00—Application
- F05D2220/70—Application in combination with
- F05D2220/76—Application in combination with an electrical generator
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
- Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
- Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
- General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Oceanography (AREA)
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Abstract
L'invention porte sur la création d'un dispositif fixe ou mobile de production électrique dont le turbogénérateur fonctionne grâce à la circulation d'un fluide à basse température de vaporisation, selon le cycle de Hirn à resurchauffe. On trouve au sein de ce dispositif fini et autonome plusieurs types de modules échangeurs, qui spécifiquement insérés dans différents milieux, permettent par la récupération d'énergies thermiques disponibles dans ces environnements, de chauffer, vaporiser et surchauffer le fluide moteur. L'énergie électrique ainsi produite est alors librement utilisable dans diverses fonctions telles que : -Celle de groupe électrogène mobile à faisceaux vaporisateurs-surchauffeurs qui captent le rayonnement solaire ou la chaleur de l'air chaud issue d'aéro-réfrigérants. -Celle de groupe électrogène à faisceaux vaporisateurs-surchauffeurs fixes, captant la chaleur de surfaces construites telles que cloisons et toits d'habitations ou ponts de navires. -Celui de groupe électrogène à faisceaux vaporisateurs-surchauffeurs fixes, captant la chaleur des circuits de réfrigération de moteurs thermiques, compresseurs, transformateurs ou moteurs électriques. -Celui de groupe électrogène à faisceaux vaporisateurs-surchauffeurs fixes, captant la chaleur de l'air extrait de salles hébergeant des installations électriques, électroniques ou informatiques. -Celui de dispositif embarqué, de charge de batteries sur véhicules hybrides, muni de faisceaux vaporisateurs-surchauffeurs fixes captant la chaleur de l'eau de réfrigération ou des gaz d'échappement du moteur thermique de propulsion. L'autonomie du dispositif est totale grâce à la présence d'une batterie qui, au démarrage de l'installation, permet la mise en service des chaines de régulations et du groupe frigorifique intégré qui assure la réfrigération condenseur.
Description
DESCRIPTION
1) GENERALITES :
Le système décrit ci-après a pour objet la production d'électricité à partir d'un contraste thermique élevé entre deux milieux .Ce procédé connu depuis le dix-neuvième siècle a déjà vu diverses applications dont la notoire « Energie thermique des mers », cependant les applications domestiques et semi-industrielles restent rares.
Dans ce procédé, un fluide à faible point bulle subit vaporisation et accroissement de pression puis surchauffe au sein d'un faisceau vaporisateur-surchauffeur, par absorption de la chaleur du milieu ambiant. Une part de l'enthalpie de cette vapeur est d'abord transformée en travail dans Γ étage HP du turbogénérateur qui, pour des raisons mécaniques (érosion d'ailettages) échappe à un titre égal ou supérieur à 0,7.La vapeur saturée présente en cette sortie de premier étage (de pression environ égale à « Pression HP/2 ») est alors dirigée vers un deuxième surchauffeur (extérieur ou intégré au faisceau vaporisateur-surchauffeur selon le cas) avant d'attaquer l'étage BP de la turbine, laquelle échappe vers un condenseur, siège de la liquéfaction du fluide. Une électropompe assure le transfert du liquide du puits du condenseur vers le faisceau vaporisateur-surchauffeur.. Le fluide évolue selon le cycle de « Hirn » avec resurchauffe. La nécessité de la resurchauffe est impérative afin de maintenir un rendement global de l'installation suffisant.
Dans la description qui suit, on traite le cas d'une récupération de chaleur issue d'un milieu dont la température régulée à plus ou moins 5 °C près est de 68°C. Pour exemple : Un milieu tel que celui de l'eau du circuit de réfrigération d'un moteur thermique peut être conforme à cette situation.
Le choix d'exposer une installation de faible puissance a pour but de caractériser des modules amovibles et transportables aux fins d'utilisations diverses (nautisme, camping, randonnées, voitures etc...) cependant, des installations fixes et de de puissances plus élevées sont tout autant réalisables.
2) PRESENTATION GENERALE DU CYCLE :
Un fluide à faible température de vaporisation évolue au sein de l'installation selon le cycle de Hirn à resurchauffe comme suivant :
l-Vaporisation et accroissement de la pression dans l'enveloppe « Evaporateursurchauffeur» par absorption de la chaleur du milieu environnant.
2- Surchauffe de la vapeur par absorption de chaleur de ce même milieu.
3- Détente et chute enthalpique de la vapeur au travers de l'étage HP du turbogénérateur jusqu'à un titre égal ou supérieur à 0,7.
4- Resurchauffe de la vapeur saturée dans un deuxième surchauffeur
5- Détente et chute enthalpique de la vapeur au travers de l'étage BP du turbogénérateur jusqu'à un titre égal ou supérieur à 0,7.
6- Liquéfaction du gaz saturé dans le condenseur.
7- Pompage du liquide vers le faisceau « Vaporisateur-surchauffeur ».
NOTA : Pour un fonctionnement cohérent, sont ajoutés à ces sept étapes principales du cycle, une régulation des surchauffes, une chaîne de régulation de pression avec déverse au condenseur, une régulation de vitesse du turbogénérateur, un circuit de réfrigération du condenseur et une éventuelle régulation de tension.
Vaporisation & surchauffe
Condensation
CYCLE DU R404A DE L'INSTALLATION ETUDIEE
3) DESCRIPTION DU FONCTIONNEMENT:
Dans la description qui suit, le fluide utilisé est un frigorigène de type R404A. Il est cependant possible d'utiliser d'autres fluides pour peu que les points de fonctionnement soient également déterminés en tenant compte des contraintes qui suivent :
-Valeurs adaptées du point bulle et du point de rosée.
-Détermination préalable de la puissance nominale de la turbine afin d'évaluer le débit massique du fluide frigorigène dans le circuit et donc, la puissance de vaporisation nécessaire.
-Chaleur latente modérée (Vaporisation moins énergivore & condensation plus facile ; attention toutefois aux limites de titre à l'échappement > 0,7)
-Chute enthalpique maximale à privilégier et donc, un degré de surchauffe élevé ainsi qu'un bon rapport dH/P .
-Compatibilité des températures et pressions critiques du fluide (Tc=72,14°C & Pc-37,35 bar pour le R404a) avec les points de fonctionnement de l'installation.
-Réduction maximale du travail de la pompe alimentaire par une pression de refoulement aussi faible que possible (composante (Hr-Ha)/(ro x g) de l'équation générale des fluides de Bernouilli).
-Hors cas d utilisation d'eau glacée, établir une température du fluide réfrigérant au condenseur de température de 10°C inférieure à celle du point de rosée du gaz circulant au circuit primaire.
A) Eléments constituant le processus :
-Fluide frigorigène R404A : Il évolue dans le circuit et subit les transformations en suivant un cycle de Hirn à resurchauffe, accroissant ainsi l'enthalpie disponible et donc le travail de la turbine (le titre à l'échappement ne pouvant être <0,7 pour raisons mécaniques).
-Faisceau vaporisateur et surchauffeur (4) : Il est de formes et constitutions diverses selon le type de récupération de chaleur recherché (échangeur immergé dans un circuit de réfrigération liquide, corps noir échangeur aérothermique dans un circuit à l'air libre etc ...) et assure un transfert de chaleur idéal dans une enceinte résistante aux contraintes de pression.
-Resurchauffeur (16)) : Afin de simplifier la régulation de température de surchauffe, il est de puissance et caractéristiques identiques à celles du surchauffeur HP.
-Régulateur de surchauffe (3): Une chaîne de régulation proportionnelle (ou proportionnelle intégrale) maintient les degrés de surchauffe aux valeurs de consigne. Les
Z'XZ* méra i<,UeS .'dé,e deUrS à cap.Hafres) ou électroniques (de
ZTd 7 ™SUree da S 'e fa'S“SU «« élément correctif (de meme tendance) de cette régulation.
™. ;Ré®Ula,eUr de Vi,esse ,urbi e <« : Fréquence et tension devant être maintenues •Un générateur de courant continu sera soumis à des contraintes de vitesse ayant pour but la stabilité de la tension (E=N.n.Phi).
Un alternateur devra par contre maintenir en priorité la fréquence constante (n=f/p) et donc avoir une vitesse déterminée par son nombre de paires de po es (pour F-50hz, 3000rpm si une paire de pôles, 1500rpm si deux paires de pôles etc...).La tension est dans ce cas régulée par le courant d'excitation (manuellement ou par régulateur de tension).
Une chaîne de régulation P.l contrôle le débit de vapeur admis à la turbine par un actionneur La boucle de retour est assurée par une mesure tachymètrique (8) montée sur le rotor de la turbine ainsi que par un eventuel capteur de position d'ouverture de l'actionneur.
-Turbogénérateur(7) en caisson hermétique : Une turbine à action (à chute(s) de vitesse(s) ou chute(s) de pression(s) ou combinant les deux modes, assure l'entrainement du générateur (11). L'ensemble est intégré dans un caisson hermétique cylindrique (12) en tôles boulonnées, qui permet de contenir les fuites issues des boites étanches ou des paliers .Ce caisson est maintenu à la pression du condenseur par un circuit d'équilibrage automatique de pressions(13) .Toute surpression issue des fuites de turbine est ainsi évacuée vers le condenseur.
L'entrainement du générateur est selon le cas, soit à attaque directe, soit en sortie d'un réducteur mécanique.
-Régulateur de pression par déverse au condenseur(9) : Constitué d'un clapet taré pouvant être piloté, cet élément évacue vers le condenseur les surpressions survenant en régime transitoire, lors d'une chauffe excessive ou d'un dysfonctionnement de la turbine.
-Electropompe alimentaire (1) : Pompe centrifuge de hauteur manométrique variable selon la pression de service du faisceau vaporisateur, elle assure le transfert de la phase liquide du condenseur vers le faisceau vaporisateur.
Débit et pression de refoulement sont réglés par le régulateur de surchauffe. En régime stabilisé, les débits massiques de vapeur et de liquide sont équivalents.
e a„cheite arbre/stator assurée par une 8arniture mécanique, pouvant s'avérer délicate mtegrat,on de „ pompe J averer d^c te.
d équilibrage automatique de pressions (idem caisson hermétique groupe turbogénérateur) est une precaution a envisager pour fiabilisation de l'installation.
-Condenseur (10) : Il est la surface froide et par voie de conséquence la zone de asse pression de l'installation. Il maintient donc une pression aussi basse que possible à chappement de la turbine en assurant une liquéfaction Instantanée du gaz saturé Pour contralntéTd ' “ de te ue mécan’ue at,ap,ée par ChaUd' “* réfriSéré ““ g'a^ - * communément
Comme pour toute enveloppe soumise à la pression, l'atmosphère est montée sur le condenseur.
une soupape de sûreté échappant à du “denseur 120 & 30' C°·™ ci-dessus, la circulation du fluide refrigerant assure la liquéfaction du gaz saturé au condenseur sans sousrefroidissement. L'eau glacée est utilisable lorsqu'elle est disponible (eau de mer en réglons froides par exemple) mais on aura recours dans la plupart des cas, à une Installation frigorifique secondaire dont l'évaporateur est le condenseur du circuit primaire .Pour un onctronnement efficace du condenseur, le point bulle du fluide réfrigérant est considéré comme devant etre inférieur d'au moins 10oC à celui du fluide à réfrigérer.
D un point de vue de conduite, la mise en service de l'installation frigorifique devant précéder celle de la station génératrice d'électricité, une batterie permet le démarrage du groupe frigorifique nécessaire à la réfrigération du condenseur principal. Cette batterie est ensuite rechargée continuellement dès que le turbogénérateur fonctionne.
-Générateur (11) : Comme déjà évoqué préalablement, il est possible d'utiliser un alternateur ou un générateur de courant continu :
• Le générateur de courant continu : Il peut être de type « shunt « ou « Compound » et à courant d'excitation réglable pour compensation des chutes de tension en charge, mais le montage préféré sera plus communément un alternateur à la tension de sortie redressée.
.L alternateur : La stabilité de la fréquence étant impérative, sa vitesse de rotation est maintenue constante. Le courant d'excitation varie selon la charge afin de maintenir la tension nominale. Comme dans le cas du générateur de courant continu, cette regulation de tension peut être opérée de façon manuelle ou automatique.
NOTA : Dans le cas de réseaux restreints ne nécessitant pas d'assujettissement trop rigoureux aux contraintes de fréquences (consommateurs purement résistifs sur le réseau récepteur), l'utilisation d'alternateurs à aimants permanents est à préférer pour la generation de courant continu (redressé) ou alternatif.
Sécurités de fonctionnement de l'installation :
. „ « h Protection contre les surpressions : Outre une régulation d'urgence de la chauffe, chacune des enveloppes de compartiments sous pression ou potentiellement sous pression (fa.sceau vaporisateur/surchauffeur, caissons hermétiques, condenseur) est protegee par une soupape de sûreté. Toutes ces soupapes de sûreté échappent au condenseur, a l'exception de celle montée sur ce dernier, laquelle évacue à l'atmosphère .Autorisation de démarrage de la turbine: Ces autorisations de démarrage ont la liste n est pas exhaustive, comportent au minimum les vérifications de statuts suivants :
• Pression vapeur au faisceau vaporisateur> X
Pression vapeur au condenseur<X Présence tension batterie de contrôle .Circulation fluide réfrigérant en service.
B) Etude d'un cycle avec emploi d'un frigorigène R404a :
Pour ce bilan, les pressions, haute, intermédiaire et basse sont respectivement de 8,0 bar, 4,0 bar et 2,0 bar. La température du gaz surchauffé est de 60°C en sorties des surchauffeurs .Les calculs sont effectués successivement pour un titre à l'échappement de 0,8 puis de 0,7. Les valeurs d'enthalpie utilisées pour les calculs suivants sont issues du diagramme de « Mollier » du R404A montré ci-après:
HA=158Kj/Kg ; HB=212Kj/Kg ; HC=422Kj/Kg ; HD(0,8)=325Kj/Kg ;HD(0,7)=308Kj/Kg
HC'=428Kj/Kg ; HD(0,8)'=310Kj/Kg ; HD'(0,7)=292Kj/Kg
1- Quantité de chaleur fournie à l'étage HP (surchauffe= 50°C) & au réchauffage liquide :
Ql=HC-HA=422-158=264Kj/Kg
2- Travail dans l'étage HP si échappement au titre de 0,8 :
W=HC-HD(0,8)=422-325=97Kj/Kg
2'-Travail dans l'étage HP si échappement au titre de 0,7 :
W'=HC-HD(0,7)=422-308=114Kj/Kg
3- Resurchauffe :
HC'-HD( 0,8)-428-325=103K j/Kg ou HC'(0,7)=428-308=120 Kj/Kg
4- Travail dans l'étage BP si échappement au titre de 0,8 :
W'= HC'-HD'=428-310=118 Kj/Kg
4'- Travail dans l'étage BP si échappement au titre de 0,7 :
W'=HC'-HD'=428-292=136 Kj/Kg
5- Quantité de chaleur à évacuer au condenseur (sans sous-refroidissement) :
Q2(0,8)=HD'-HA=310-158=152Kj/Kg ou Q2(0,7)=292-158=134 Kj/Kg
6- Travail à fournir au fluide pour transfert condenseur-faisceau vaporisateur :
a) Hauteur manométrique et hauteur totale à débit nul :
Pour rappel : Puissance absorbée par le fluide=Qm x g x Ht avec
P : Puissance en watts •Qm : Débit massique en Kg/s
Ht(O) : Hauteur totale à débit nul (droite d'Euler) en mètres
Sachant que la hauteur manométrique à débit nul Hm(0) =0.6 Ht(O) est une constante communément admise, on estime le point de fonctionnement nominal de la pompe alimentaire à Hm=0,5 Ht(O), ce qui pour une pression de vaporisation de 8 bar équivaut à :
P=ro x g x Hm= 8 bar = 8 x 10Λ5 Pascal = 1104 x 9,81 x Hm ou:
Hm=(8.10A5)/(1104x9,81)=73,86 mètres
Avec .Hm: Hauteur manométrique nominale en mètres .ro: Masse volumique du R404 liquide à 8 bar =1104 Kg/m3 (Cf. table R404A liquide) .g : Accélération 9,81 m/sA2
La hauteur totale à débit nul de la pompe est par conséquent de 73,86/0,5=147,73 mètres.
b) Puissance absorbée par la pompe alimentaire
La puissance théorique de la turbine ayant été préalablement fixée dans ce cas à 350 watts pour un titre à l'échappement de 0,8, le débit massique nominal du fluide frigorigène est calculé comme suit :
Qm=P/W=0,35/( (HC-HD)+(HC'-HD'))=0,35/(97+118)=l,627 x 10A -3 Kg/s ou 5,86 Kg/h
Avec :
P : Puissance turbine:0,35Kw
W travail théorique turbine ou chute enthalpique turbine : 97+118=215Kj/Kg
Qm : Débit massique vapeur & liquide en kg/s
NOTA : Pour un titre de 0,7, le débit étant supposé Identique, la puissance théorique de la turbine se trouverait accrue comme suivant :
P(0 7)=Qm x W=1,6267 x 10.3 χ ((HC-HD)+(HC'-HD')=1,627 x 10-3 X 250=0,406 Kw soit 116% de la puissance turbine échappant au titre de 0,8.
La puissance a transmettre au fluide pour transfert du condenseur au faisceau vaporisateur/surchauffeurest par conséquent de :
Puissance à transmettre au fluide =Qm x g x Ht(0)=l,627 x 10Λ-3 x 9,81 x 147,73=2,36 watts Le rendement global de transmission du fluide étant estimé à 0,45 (produit des rendements manométrique, mécanique & volumétrique), on considère la puissance absorbée par la pompe comme étant de 2,36/0,45= 5,24 watts.
c) Bilan provisoire et rendement hors réfrigération & contrôle:
A ce stade de I étude dans lequel la réfrigération n'est provisoirement pas prise en compte et sachant que le rendement de turbine est de 0,7, on peut estimer le rendement global de I installation selon le titre à l'échappement, à :
R- ( P turbine à la poulie - P pompe)/ Puissance calorifique prélevée ou
R(0,8)= ((0,35x 0,7)-5,24)/ (Qm x ((HC-HA)+(HC'-HD)))=0,239/(1,627 X 10Λ-3 x 367)
Rendement (titre 0,8) global hors réfrigération = 0,239/((264+103)xl,627 χ10Λ-3)= 0,4
R(0,7)= ((0,406x 0,7)-5,24)/ (Qm x ((HC-HA)+(HC'-HD)))=0,284/(1,627 X 10Λ-3 x 384)
Rendement (titre 0,7) global hors réfrigération = 0,279/((264+120)xl,627 χ10Λ-3)= 0,447
7-Puissance frigorifique nécessaire à la réfrigération du condenseur et travail prélevé sur le cycle primaire aux fins de réfrigération :
a) Généralités
Hormis quelques cas particuliers qui permettent d'utiliser une réfrigération naturelle peu énergivore (cas de condenseurs primaires immergés en zone polaire par exemple), il sera généralement nécessaire d associer un groupe frigorifique au système générateur d'électricité pour assurer la réfrigération du condenseur. Le faisceau réfrigérant du condenseur primaire constitue par conséquent I' 'évaporateur du circuit frigorifique.
D'autre part, on sait que pour optimiser le rendement général de l'installation il est impératif de réduire autant que possible l’énergie dissipée au condenseur et donc également la puissance du compresseur (Ql=W+Q2).Toutefois, afin de permettre un fonctionnement du groupe frigorifique dans la plupart des conditions climatiques, on opte pour une température de condensation voisine de 40°C qui, en vertu du « Pincement condenseur «faible permet une température maximale du réfrigérant (air ou eau) de 32°C. La capacité du compresseur s'en trouve donc légèrement surdimensionnée au détriment du rendement.
A noter que la chaleur prélevée lors de la réfrigération du condenseur (Q=m x C x dT/air ou eau) peut être partiellement réutilisée pour réchauffage du fluide primaire (sortie de l'air chaud (70) ou de l'eau de réfrigération du condenseur frigorifique utilisée pour réchauffage du circuit alimentaire (17), ou condenseur frigorifique utilisé en réchauffeur alimentaire par immersion au refoulement de la pompe du circuit primaire ).Ce point est développé en annexe ci-page 13.
Enfin, lorsque l'environnement le permet et qu'une source de chaleur vaporisatrice importante permet de s'affranchir de la nécessité d'un réchauffage du circuit alimentaire primaire on utilisera, selon le cas, la réfrigération naturelle du condenseur dans le milieu ambiant qui peut être :
La circulation naturelle de l'air liée à la vitesse ou au vent relatif d'un mobile en mouvement (bateau, avion, voiture, moto, machine mobile).
-L'immersion directe du condenseur dans un grand volume d'eau disponible.
b) Dimensionnement de l’installation et ponts de fonctionnement :
Pour dimensionner l'installation, on adopte pour le cas présent :
.Une puissance de réfrigération Q2f supérieure de 10% à celle du condenseur primaire afin de pallier à une éventuelle dégradation du rendement d'échange. Sa valeur est par conséquent de Q2f=Q2+( 0,1 x Q2) ou selon le titre :
-Q2f (0,8)= 152+15,2=167,2 Kj/Kg
-Q2f (0,7)= 134+13,4=147,4 Kj/Kg . Un taux de compression du compresseur étagé égal à 15, pour des pressions nominales de 1,2 bar à l'aspiration et 18 bar au refoulement.
.Un rendement global du compresseur égal à 0,7 .Un fort sous refroidissement nul au condenseur secondaire .Une surchauffe de 5 à 7°C
Les relevés effectués dans ce cadre sur le diagramme de « Mollier » montrent ainsi les valeurs suivantes :
HB(0,8)=178Kj/Kg ; HB(0,7)=198Kj/Kg ;HC=400Kj/Kg ;HD=346Kj/Kg
1- Quantité de chaleur prélevée au condenseur frigorifique pour un titre à échappement turbine de 0,8 puis 0,7:
Qlf (0,8)=HC-HB=400-178=222Kj/Kg
Qlf (0,7)=HC-HB=400-198=202Kj/Kg
2- Travail du compresseur :
Wf= H C'-H D'=400-346=54Kj/Kg
3- Quantité de chaleur à évacuer au condenseur primaire (rendement transmission^),9 ou Q'2=Q2+ (0,1 x Q2)) :
Q2f (0,8)=HD'-HA'=346-178,8=167,2Kj/Kg
Q2f (0,7)=HD-HA)=346-198,6=147,4Kj/Kg
b) Puissance absorbée par le compresseur :
La puissance frigorifique ayant été fixée 110% de la puissance à évacuer au condenseur primaire par accroissement d'enthalpie, on considère les débits nominaux identiques aux circuits primaire et secondaire ou 1,627 x 10Λ -3 Kg/s ou 5,86 Kg/h.
La puissance théorique du compresseur est par conséquent de :
P=Qm X Wf=l,627x 10Λ-3 x 54=0,0878 Kw
Le rendement global du compresseur étant estimé à 0,7, la puissance absorbée par celui-ci est de 0,0878/0,7=0,125 Kw
c) Puissance absorbée par la réfrigération du condenseur frigorifique :
Les puissances thermiques à évacuer au condenseur secondaire étant pour des titres à l'échappement turbine de 0,8 et 0,7 :
P(0,8)= (400-178) x (1,627 x 10Λ-3)=0,361 Kw
P(0,7)=(400-198) x (1,627 x 10Λ-3)=0,328 Kw
On devra, dans le cas d'une réfrigération par ventilation au cours de laquelle l'air se réchauffe de 20°C (élévation de température d'air recherchée afin d'utiliser cette chaleur à la vaporisation au circuit primaire) établir les débits nécessaires comme suit :
P= Qm x W = Qm x C x dT avec chaleur massique de l'air =1,004 Kj/Kg.K
Qm (0,8)=0,361/(1,004 x 20) = 0,0179 Kg/s
Qm(0,7)=0,328/ (1,004 x 20)=0,0163 Kg/s
La masse volumique de l'air étant à la température de 35°C de 0,986 kg/m3 les débits volumiques sont de :
Qv(0,8)=Qm/0,986=0,01815 m3/s ou 65 m3/h
Qv(0,7)=Qm/0,986=0,0165 m3/s ou 59,5 m3/h
Or, on sait que pour que des débits volumiques de cet ordre, la puissance absorbée par un ventilateur est comprise entre 5 et 10 watts (selon sa hauteur de refoulement).D'autre part I écart entre les débits précédemment calculés étant négligeable, on retiendra la valeur commune de 10 watts absorbés pour la ventilation du condenseur frigorifique (un même calcul effectue avec une réfrigération à l'eau montre une puissance d'électropompe equivalente).A noter qu'il est également possible, tel qu'indiqué précédemment, d'utiliser un rechauffeur alimentaire intégrant le condenseur frigorifique, ce qui augmente considérablement le rendement d'échange et permet de s'affranchir de l'utilisation d'une pompe (Voir annexe finale).
Enfin, la puissance utilisée par les chaînes de sécurités et de régulation est estimée à 5 watts.
d) Bilans du cycle étudié :
Rendement global de l'installation :
(Puissance effective turbogénérateur-Puissance pompe alimentaire- Puissance compresseur-Puissance pompe ou ventilation condenseur frigorifique-Puissance consommée par régulation & chaîne de sécurités)/ Puissance calorifique de circuit primaire. Les valeurs estimées ici sont toutes transposables en pourcentages de puissances prélevées sur des installations de capacités différentes.
-Rendement global avec titre échappement de 0,8 :
Puissance restituée^,8)=((350 X 0,7)-5,24-125-10-5=99,76 watts
Rendement global (0,8)=0,09976/((264+103) x (1,627 χ10Λ-3))=0,167
-Rendement global avec titre échappement de 0,7 :
Puissance restituée^,7)=((400 X 0,7)-5,24-125-10-5=134,76 watts
Rendement global (0,7)=0,13476/((264+120) x (1,627 χ10Λ-3))=0,215
Nota : En considérant que 50% de la chaleur utilisée à la réfrigération du condenseur secondaire est réutilisée pour le réchauffage qui précède la vaporisation du liquide caloporteur au circuit primaire, on relève les rendements précédemment calculés aux valeurs suivantes :
-Rendement global avec titre de 0,8 et récupération de 50% de Qfl :
R(0,8)=0,09976/(((264+103)-(222/2)) x (1,627 χ10Λ-3))= 0,239
-Rendement global avec titre de 0,7 et récupération de 50% de Qfl :
R(0,7)=0,13476/(((264+120)-(222/2)) x (1,627 χ10Λ-3))= 0,303
Annexe : Calcul du rendement global de l'installation au (titre échappement d 0,7) avec insertion d'un réchauffeur alimentaire intégrant le condenseur frigorifique, le rendement d'échange étant estimé à 0,75 :
1) Calcul de la puissance utile hors pompe ou ventilateur de réfrigération condenseur :
Puissance restituée(0,7)= ((400 X 0,7)-5,24-125-5=144,76 watts
2) Chaleur transmise au réchauffeur alimentaire :
Q= (400-198) x 0,75= 202 x 0,75=151,5 Kj/Kg
3) Rendement global de l'installation :
R(0,7 )= 0,14476/(((264+120)-(202 x 0,75) x (1,627 χ10Λ-3))
R(0,7) = 0,14476/(( 384-151,5) x( 1,627 x 10Λ-3))
R(0,7) = 0,14476/ (232,5 x 1,627 x 10Λ-3)
R (0,7) = 0,378
L'extrait de diagramme ci-dessous montre que la seule utilisation d'un réchauffeur de ce type permet au fluide primaire d'atteindre un titre en vapeur saturé de 0,62, ce qui en réduisant notablement l'apport calorifique extérieur nécessaire à la vaporisation accroît grandement le rendement global de l'installation.
HFCR404A
250 300 350
Enthalpie massique [kj/kg]
CYCLE FRIGORIFIQUE DE REFRIGERATION DU CONDENSEUR PRIMAIRE
4) CONCLUSION
On constate, au vu de l'exemple traité ci-dessus, qu'afin d'accroître le rendement global de l'installation, il est impératif de favoriser un échappement de turbine en vapeur aussi saturée que possible. Pour ce, les matériaux à faibles coefficients de dilatation et peu érosifs sont à privilégier dans la fabrication de la turbine. Il est par ailleurs évident que les calories prélevées à la réfrigération du condenseur secondaire sont à réutiliser pour le réchauffage et la vaporisation du fluide primaire.
Enfin, bien que les rendements globaux puissent être considérés comme faibles et qu'il soit nécessaire de dédier une partie importante de la puissance produite à la réfrigération condenseur (ici proche de 50%), ce système conserve un bilan extrêmement positif (40% à 50% de la puissance mécanique produite restituée sur le réseau électrique) qui permet, à partir d'éléments faisant l'objet des revendications qui suivent, la transformation d'une énergie calorifique disponible et gratuite en énergie électrique de coût dérisoire.
Nomenclature
Figurel/2 « Circuit vapeur et turbo-alternateur » :
Electro-pompe alimentaire
Clapet de non-retour
Régulateur de température de surchauffe
Faisceau vaporisateur/ surchauffeurs
Capteurs de températures de surchauffe
Régulateur de vitesse de turbine
Turbo-alternateur ou turbo-générateur courant continu
Capteur tachymètrique
Soupape de déverse au condenseur
Condenseur
Générateur
Enveloppe hermétique
Vanne & circuit d'équilibrage automatique de pressions
Manomètre circuit vapeur surchauffée HP
Manomètre circuit vapeur surchauffée B.P
Re-surchauffeur étage BP
Réchauffeur circuit alimentaire (par récupération de chaleur issue du condenseur frigorifique)
Entrée réfrigération condenseur primaire
Sortie réfrigération condenseur primaire
Sortie d air chaud de réfrigération condenseur frigorifique
Nomenclature
Figure 2/2 « Circuit de réfrigération du condenseur primaire »
Entrée réfrigération condenseur primaire
Compresseur
Moteur électrique du compresseur
Manomètre HP
Condenseur
Détendeur thermostatique
Evaporateur réfrigérant du condenseur primaire
Mano BP
Mesure de température
Electro-ventilateur du condenseur
Sortie réfrigération condenseur primaire
Entrée vapeur saturée au condenseur primaire
Sortie liquide condensé du condenseur primaire
Entrée d'air réfrigérant au condenseur
Sortie d'air réfrigérant du condenseur (vers réchauffage du fluide primaire)
Claims (8)
- REVENDICATIONS1. Dispositif turbo-générateur mobile et autonome de faible ou moyenne puissance fonctionnant selon le cycle de Hirn à re-surchauffe et utilisant un fluide à basse temperature de vaporisation, dont le faisceau vaporisateur-surchauffeur déployable capte la chaleur du milieu ambiant ;un groupe frigorifique intégré à ce dispositif assure la réfrigération du condenseur primaire.
- 2. Dispositif turbo-générateur tel que décrit dans la revendication 1 caractérisé par le fait que vaporisation & surchauffes, lorsqu'elles sont dues au rayonnement solaire, ont lieu au sein d'un échangeur déployable de puissance modulée par une amplification du rayonnement réglable. Le niveau de cette amplification obtenue par un montage de type « four solaire »( ou combinaison de miroirs réfléchissants et loupes orientée vers le faisceau vaporisateur-surchauffeurs), est réglé par variation de la surface réfléchissante déployée ou par réglage de l'incidence des rayons projetés vers l'echangeur.
- 3. Dispositif turbo-générateur fixe et autonome de faible ou moyenne puissance fonctionnant selon le cycle de Hirn à re-surchauffe et utilisant un fluide à basse température de vaporisation, dont le faisceau vaporisateur-surchauffeur immergé capte la chaleur du fluide assurant la réfrigération de moteurs thermiques, moteurs électriques, transformateurs ou compresseurs ; un groupe frigorifique intégré à ce dispositif assure la réfrigération du condenseur primaire.
- 4. Dispositif turbo-générateur autonome embarqué destiné à la charge des batteries de propulsion sur des véhicules hybrides fonctionnant selon le cycle de Hirn à re-surchauffe et utilisant un fluide à basse température de vaporisation, dont le faisceau vaporisateursurchauffeur ventilé et monté en parallèle du radiateur suffit, à l'exclusion de régimes de charges thermiques ponctuellement élevées, à assurer à lui seul la réfrigération du moteur thermique ; un groupe frigorifique intégré à ce dispositif assure la réfrigération du condenseur primaire.
- 5. Dispositif turbo-générateur autonome embarqué destiné à la charge des batteries de propulsion sur des véhicules hybrides fonctionnant selon le cycle de Hirn à re-surchauffe et utilisant un fluide à basse température de vaporisation, dont le faisceau vaporisateursurchauffeur inséré dans l'échappement du moteur thermique complémente le dispositif décrit dans la revendication 4 ; un groupe frigorifique intégré à ce dispositif assure la réfrigération du condenseur primaire.19/19
- 6. Dispositif turbo-générateur tel que décrit dans la revendication 1, caractérisé par le fait que vaporisation et surchauffes prennent effet au sein d'un échangeur en forme de spirale plate, qui monte sur un aéro-réfrigérant, capte la chaleur de l'air réchauffé.• Dispositif turbo-genérateur fixe et autonome de faible ou moyenne puissance fonctionnant selon le cycle de mrn a re-surchauffe et utilisant un fluide à basse température de vaporisation, dont les faisceaux vaporisateurs-surchauffeurs sont insérés dans les aspirafons de climatisations de salles abritant des processus électriques, électroniques ou informatiques a forts rayonnements thermiques ; un groupe frigorifique intégré à ce dispositif assure la réfrigération du condenseur primaire.
- 8. Dispositif turbo-générateur fixe et autonome de faible ou moyenne puissance fonctionnant selon le cycle de Hirn à re-surchauffe et utilisant un fluide à basse température de vaporisation, dont les faisceaux vaporisateurs-surchauffeurs en forme d’épingles installés sous les couvertures de bâtiments en ardoises, zinc, tuiles ou lauze, utilisent la chaleur acquise par rayonnement solaire ; un groupe frigorifique intégré à ce dispositif assure la réfrigération du condenseur primaire.
- 9. Dispositif turbo-générateur fixe et autonome de faible ou moyenne puissance fonctionnant selon le cycle de Hirn à re-surchauffe et utilisant un fluide à basse temperature de vaporisation, dont les faisceaux vaporisateurs-surchauffeurs en forme d épingles ou spirales plates sont installés sous ponts ou roofs métalliques de navires, utilisent la chaleur acquise par rayonnement solaire ; un groupe frigorifique intégré à ce dispositif assure la réfrigération du condenseur primaire.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1800601A FR3082226A1 (fr) | 2018-06-08 | 2018-06-08 | Pack thermo-generateur |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1800601A FR3082226A1 (fr) | 2018-06-08 | 2018-06-08 | Pack thermo-generateur |
| FR1800601 | 2018-06-08 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3082226A1 true FR3082226A1 (fr) | 2019-12-13 |
Family
ID=68806396
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR1800601A Pending FR3082226A1 (fr) | 2018-06-08 | 2018-06-08 | Pack thermo-generateur |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR3082226A1 (fr) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4051680A (en) * | 1973-12-26 | 1977-10-04 | Hall Carroll D | Modified rankine cycle engine apparatus |
| EP2492457A1 (fr) * | 2011-02-25 | 2012-08-29 | General Electric Company | Refroidisseur intermédiaire de turbine à gaz avec cycle flash trilatéral |
| CN104443394B (zh) * | 2014-10-31 | 2016-06-08 | 北京航空航天大学 | 应用有机朗肯循环的飞机环境控制系统 |
-
2018
- 2018-06-08 FR FR1800601A patent/FR3082226A1/fr active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4051680A (en) * | 1973-12-26 | 1977-10-04 | Hall Carroll D | Modified rankine cycle engine apparatus |
| EP2492457A1 (fr) * | 2011-02-25 | 2012-08-29 | General Electric Company | Refroidisseur intermédiaire de turbine à gaz avec cycle flash trilatéral |
| CN104443394B (zh) * | 2014-10-31 | 2016-06-08 | 北京航空航天大学 | 应用有机朗肯循环的飞机环境控制系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Colonna et al. | Organic Rankine cycle power systems: from the concept to current technology, applications, and an outlook to the future | |
| US10436109B2 (en) | Modular thermal storage | |
| JP5814887B2 (ja) | 断熱圧縮空気エネルギー貯蔵システムおよび方法 | |
| EP2326801B1 (fr) | Dispositif de cogénération | |
| EP3303778B1 (fr) | Perfectionnements apportés au stockage d'énergie | |
| JP7501537B2 (ja) | エネルギー貯蔵プラント及びプロセス | |
| US20080050234A1 (en) | Wind turbine system | |
| US20080047271A1 (en) | Wind turbine system | |
| EP3052773A1 (fr) | Systeme thermodynamique de stockage/production d'energie electrique | |
| FR2927959A1 (fr) | Installation de generation d'energie electrique a partir d'energie solaire. | |
| WO2005103453A1 (fr) | Systeme pour recuperer l’energie thermique d’un vehicule a moteur thermique | |
| EP2379848A2 (fr) | Dispositif de production d'électricité avec plusieurs pompes à chaleur en série | |
| CA2850241A1 (fr) | Dispositif accumulateur d'energie et procede d'accumulation d'energie | |
| JP2011058367A (ja) | 複合エネルギー利用システム | |
| US20220074373A1 (en) | System and method for sustainable generation of energy | |
| US10876433B2 (en) | Power recovery | |
| FR3082226A1 (fr) | Pack thermo-generateur | |
| JP2007002761A (ja) | コージェネレーションシステムおよび発電装置 | |
| US10473406B2 (en) | Efficiency of power plants | |
| EP3152410A1 (fr) | Installation de conversion de chaleur en energie mecanique a systeme de refroidissement du fluide de travail ameliore | |
| US20110278859A1 (en) | Cooling heat generating equipment | |
| WO2014154869A1 (fr) | Machine thermique cryogenique | |
| KR101895787B1 (ko) | 초임계 이산화탄소 발전시스템 및 이를 구비한 선박 | |
| US9634169B1 (en) | Hybrid solar concentrator utilizing a dielectric spectrum splitter | |
| JP2001123936A (ja) | 物質熱エネルギーの資源化システム及びその装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20210305 |
|
| RX | Complete rejection |
Effective date: 20220204 |