FR3085282A1 - Dispositif de fractionnement et de melange de deux fluides permettant de maximiser l’efficacite d’un convertisseur d’energie thermique en energie cinetique - Google Patents

Abstract

Dispositif de fractionnement et de mélange de deux fluides permettant de maximiser l'efficacité d'un convertisseur d'énergie thermique en énergie cinétique. Le présent brevet est un perfectionnement du dispositif décrit dans la demande de brevet N°1855910 qui permet la conversion d'énergie thermique en énergie mécanique, éventuellement électrique. Dans ladite demande, le mélange et l'accélération des deux fluides sont réalisés dans un dispositif comprenant un mélangeur et une tuyère. Le mélangeur a pour fonction de fractionner le fluide caloporteur en gouttelettes de taille maîtrisée et de le mélanger de façon homogène au fluide thermodynamique. Cette amélioration propose une conception particulière du mélangeur. Elle fait intervenir un empilement de rondelles crantées dans lesquelles sont usinées des canaux forçant le passage et le fractionnement du fluide caloporteur. Le fluide thermodynamique est admis via une pomme d'arrosage dans l'espace intérieur. Cette structure permet un cisaillement optimisé des fluides pour un meilleur rendement du dispositif de conversion d'énergie.

Description

Description

Titre de l’invention : Dispositif de fractionnement et de mélange de deux fluides permettant de maximiser l’efficacité d’un convertisseur d’énergie thermique en énergie cinétique

Domaine technique [0001] Différents procédés permettent de valoriser de la chaleur fatale produite par des procédés industriels : raffinage, verreries, four d’incinération, usines sidérurgiques, gaz d’échappement de moteurs, etc.

[0002] Certains utilisent des turbines à action entraînées par un jet double phase liquide/ vapeur.

[0003] Parmi ceux-ci le brevet N°1101045 et la demande de brevet N°1855910 décrivent un dispositif particulier de ce type de procédé.

[0004] Ledit procédé nécessite la mise en œuvre d’au moins un fluide thermodynamique et au moins un fluide caloporteur à fractionner et mélanger de façon homogène afin de créer un jet diphasique qui est accéléré dans une tuyère. L’énergie cinétique du jet est convertie en énergie mécanique par la rotation d’une turbine à action.

[0005] L’efficacité du dispositif de conversion dépend de l’énergie cinétique contenue dans le jet diphasique et donc de la vitesse de la phase liquide du jet.

[0006] Pour maximiser cette efficacité, il convient de fractionner le fluide caloporteur en fines gouttelettes de taille maîtrisées et de le mélanger harmonieusement avec le fluide thermodynamique afin d’obtenir un mélange homogène.

[0007] La présente invention consiste en un dispositif amélioré permettant le fractionnement maîtrisé des fluides caloporteur et thermodynamique et leur mélange homogène.

[0008] ETAT DE L’ART [0009] Il existe de nombreuses technologies plus ou moins complexe pour réaliser la projection d’un mélange de fluide.

[0010] Cependant, au regard des objectifs de coûts de mise en œuvre et de maintenance du dispositif de conversion d’énergie cinétique en énergie mécanique, voire électrique, le perfectionnement du système doit rester simple.

[0011] Ainsi, tous les systèmes comportant des pièces en liaison cinématique, de type valve ou piston coulissant, des dispositifs nécessitant une commande quelconque, de type vanne, ou des équipements de puissance, de type pompe sont à proscrire. Ceux-ci engendreraient des coûts de réalisation et de maintenance trop importants.

[0012] David G. Elliot présente dans sa thèse «Theory and tests of two-phase turbines » la construction pertinente d’une buse d’injection de phase liquide et gazeuse.

[0013] Celle-ci est, entre autre, constituée de multiple tubes, à travers lesquels s’écoule le fluide en phase liquide et dont les interstices entre chaque permettent l’écoulement de la phase gazeuse ; l’extrémité de sortie de l’assemblage débouche sur une chambre à travers laquelle les gouttelettes de liquide entrent en collision avec la phase gazeuse, provocant le mélange homogène entre les deux phases.

[0014] Bien que fonctionnelle, la conception ne permet pas la maîtrise de la taille des gouttes du fluide caloporteur lors de son mélange avec le fluide thermodynamique.

[0015] La demande de brevet N°1855910 présente un mode particulier de réalisation d’un mélangeur par l’assemblage de buses qui permettent un fractionnement maîtrisé du fluide caloporteur suivant les caractéristiques dimensionnelles des buses.

[0016] Cette conception opérationnelle a donné des résultats satisfaisants mais ne garantit pas l’homogénéité du mélange en entrée de tuyère.

[0017] Avantageusement, la présente invention se caractérise en ce que l’entrée de la phase liquide du fluide caloporteur est étagée selon l’axe d’injection, optimisant le phénomène de cisaillement de phases. De plus, il permet un contrôle de la taille des gouttelettes de fluide caloporteur par la taille des canaux.

Exposé de l’invention [0018] L’invention concerne le perfectionnement du dispositif de conversion d’énergie thermique en énergie mécanique décrit dans le brevet français LR 2973841 cité cidessus, ledit perfectionnement permettant de maximiser son rendement de conversion.

[0019] Il s’agit d’un mode de réalisation particulier de ΓΙΜΑ (injecteur - mélangeur - accélérateur), qui permet le mélange des deux phases et leur accélération dans une tuyère.

[0020] L’énergie cinétique utilisée par le dispositif de conversion d’énergie cinétique en mécanique/électrique doit être maximisée afin d’obtenir un rendement optimal du convertisseur précité.

[0021] Pour ce faire, la vitesse du jet diphasique doit être maximale en sortie de la tuyère accélératrice, ce qui impose de créer en amont de ladite tuyère un milieu diphasique homogène/dispersé de fines gouttelettes du fluide caloporteur mélangé avec le fluide thermodynamique.

[0022] La présente invention propose une réalisation particulière de cet injecteur, perfectionnant le procédé et permettant de maximiser son rendement de conversion. Il assure les fonctions de fractionnement maîtrisé des fluides et de constitution d’un mélange homogène.

[0023] Ce dispositif peut être utilisé par extension à toute application nécessitant l’usage d’un mélange homogène double phase à granulométrie maîtrisée de la phase liquide. Brève description des dessins [0024] [fig.l] est une coupe axiale du dispositif.

[0025] [fig.2] donne un plan de détail des rondelles crantées.

[0026] DESCRIPTION DETAILLE DEL’ INVENTION [0027] Le dispositif faisant l’objet de l’invention organise de façon harmonieuse le fractionnement et le mélange d’un fluide caloporteur et d’un fluide thermodynamique permettant la mise en vitesse du premier grâce à son interaction avec le second dans une tuyère.

[0028] Dans un mode de représentation illustratif, mais non-limitatif, il se compose d’un corps Repl/1 et d’un chapeau Repl/2 assemblés par des boulons.

[0029] Le chapeau Repl/2 comporte une tubulure d’entrée Repi d’un fluide caloporteur en phase liquide et une tubulure d’entrée Rep2 d’un fluide thermodynamique en phase gazeuse ou partiellement en phase liquide et susceptible de se vaporiser dans les conditions de température et de pression auxquelles se trouve le fluide caloporteur.

[0030] Le corps Repl/1 est prolongé par une tubulure ReplO en forme de tuyère.

[0031] A la suite de la tubulure d’entrée Repi, le fluide caloporteur est admis à l’extérieur d’un empilement de rondelles crantées Rep 4/1, solidarisées par des tirants [0032] Rep 3. Cet empilement est étanche à ses extrémités par rapport à l’ensemble corps / chapeau par deux joints Rep 6/1 et 6/2 de telle sorte que le flux de caloporteur soit contraint de passer de la tubulure Repi à la tubulure Rep 10 au travers des canaux Rep 5 usinés dans les faces supérieures des rondelles coniques Rep 4/2.

[0033] Ces canaux, au nombre d’une dizaine à une trentaine par rondelle, sont de section adaptée au mode de fabrication et préférentiellement rectangulaire, de largeur quelques dixièmes à quelques millimètres, et de profondeur équivalente à la taille souhaitées des gouttelettes ; typiquement de l’ordre de quelques dizaines de microns à quelques centaines de microns. Le nombre de canaux et le nombre de rondelles sont ajustés pour limiter à quelques centaines de millibars la perte de charge du caloporteur au passage de l’empilement.

[0034] Le fluide thermodynamique sous forme liquide, gazeuse ou mélange des deux, est admis par le biais d’une pomme d’arrosage Rep 7 et par une pluralité de trous de faible diamètre Rep 8 qui constellent son extrémité, dans l’espace intérieur de l’empilement Rep 4/1.

[0035] Ces trous sont disposés à la périphérie de la pomme d’arrosage de telle sorte que les jets de fluide thermodynamique qui s’en échappent cisaillent la pluralité des jets de fluide caloporteur qui les croisent à 45°.

[0036] Un cône Rep 9 disposé au centre de l’empilement Rep 4/1 permet que la vitesse du mélange des deux fluides reste constante tout au long de l’empilement.

[0037] L’interaction organisée entre les deux fluides par ce dispositif permet au liquide thermodynamique d’être dispersé et mélangé avec le fluide caloporteur, lui-même fractionné, au sein d’un écoulement double phase homogène.

[0038] Celui-ci est admis dans des conditions optimales à l’entrée de la tuyère critique Rep 10 dans laquelle le liquide caloporteur fractionné va continuer à être accéléré par la détente de la vapeur du fluide thermodynamique afin de créer un jet double phase à haute vitesse avant d’impacter les aubages d’une turbine à action.

[0039] Les prises de pression Repl3 et Rep 12 permettent de contrôler la perte de charge de l’empilement de rondelle Rep4/1 pendant le fonctionnement du dispositif. La tubulure Rep 11 est destinée à évacuer d’éventuelles impuretés retenues à l’entrée des rondelles crantées.

[0040] AVANTAGES COMPLEMENTAIRES DE L’INVENTION [0041] Une autre caractéristique remarquable de l’invention concerne l’interaction entre le fluide thermodynamique ayant une vitesse axiale et le fluide caloporteur sortant des rondelles crantées avec une vitesse formant un angle de l’ordre de 45 ° par rapport au fluide thermodynamique.

[0042] L’effet de cisaillement est conjugué avec une pré accélération du fluide caloporteur dans le mélangeur, qui s’apparente à un effet de trompe, et qui permet, toutes choses égales par ailleurs, de diminuer la pression de refoulement de la pompe de circulation du fluide caloporteur donc sa puissance, et par la même d’améliorer le rendement global de conversion du procédé.

Application industrielle [0043] Le dispositif faisant l’objet de l’invention est applicable à tous les convertisseurs d’énergie thermique en énergie mécanique utilisant la détente d’un mélange double phase dans leur procédé.

[0044] Il peut également être utilisé dans des pistolets à peinture ou des lances d’incendie ou un effet de pulvérisation et de projection d’un liquide à grande vitesse est recherché.

Claims (1)

1. Revendications [Revendication 1 ] Dispositif de mélange de deux fluides, l’un à l’état liquide dit fluide caloporteur et l’autre pouvant être à l’état liquide, gazeux ou mélange des deux, dit fluide thermodynamique, comportant un corps (Rep1/1), un chapeau (Rep1/2) avec un tubulure d’entrée (Rep1) pour le fluide caloporteur et une tubulure d’entrée (Rep2) pour le fluide thermodynamique, le corps (Rep1/1) étant prolongé par une tubulure (Rep10) réalisée avantageusement en forme de tuyère, caractérisé en ce qu’il comporte un empilement de rondelles (Rep 4/1 et Rep 4/2) avec des canaux (Rep5) qui permettent le passage du fluide caloporteur de l’entrée (Rep1) vers la tubulure (Rep10).

   [Revendication 2] Dispositif de mélange selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’empilement de rondelles est solidarisé par des tirants (Rep3) et comporte deux joints (Rep6/1, Rep6/2) assurant l’étanchéité entre le corps et le chapeau de telle sorte que le fluide caloporteur passe de la tubulure d’entrée (Rep1) à la tubulure (Rep10) par les canaux (Rep 5).

   [Revendication 3] Dispositif de mélange selon l’une quelconque revendications précédentes caractérisé en ce que les rondelles (Rep 4/2) sont préférentiellement de type ressort et conique, dite « rondelles Belleville », que le nombre de rondelles de l’empilement est compris entre une dizaine et une centaine et qu’elles présentent en face préférentiellement supérieure un nombre de canaux (Rep 5) compris entre 4 et 40, chaque canal présentant une section de quelques dixièmes de millimètres carrés à quelques millimètres carrés.

   [Revendication 4] Dispositif de mélange selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comporte une pomme d’arrosage (Rep7) avec une pluralité de trous disposée sur la périphérie de l’extrémité de ladite pomme d’arrosage (Rep8) qui permet le passage du fluide thermodynamique de l’entrée (Rep2) vers la tubulure (Rep10)..

   [Revendication 5] Dispositif de mélange selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comporte un cône (Rep9) disposé au centre de l’empilement qui permet de maintenir la vitesse du mélange du fluide constante le long de l’empilement.

   [Revendication 6] Dispositif de mélange selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comporte une tubulure (Rep11) située en partie basse, destinée à évacuer les impuretés retenues à l’entrée des canaux des rondelles (Rep 4/1).