FR3098285A1 - RANKINE THERMODYNAMIC CYCLE SYSTEM INTEGRATED WITH EJECTOR AIR CONDITIONING LOOP - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un système thermodynamique (30) pour véhicule muni d’un moteur thermique comportant un circuit de climatisation (42) comprenant un premier évaporateur (33), un détenteur (36) et un éjecteur (31), un système à cycle thermodynamique de Rankine (43) comprenant une machine de détente (39), telle qu’une turbine, une pompe (34) et un deuxième évaporateur (32) destiné à coupler ledit fluide de travail à une source de chaleur dudit moteur thermique, le dit système thermodynamique (30) comportant en outre un condenseur (35), ledit éjecteur (31) étant relié audit deuxième évaporateur (32) par l’intermédiaire d’un dispositif de répartition (41), ladite machine de détente (39) étant reliée audit deuxième évaporateur (32) par l’intermédiaire dudit dispositif de répartition (41), ladite machine de détente (39) et ledit éjecteur (31) étant reliés audit condenseur (35) par l’intermédiaire d’un dispositif de combinaison (40). Figure 3 The invention relates to a thermodynamic system (30) for a vehicle equipped with a heat engine comprising an air conditioning circuit (42) comprising a first evaporator (33), a holder (36) and an ejector (31), a cycle system Rankine thermodynamics (43) comprising an expansion machine (39), such as a turbine, a pump (34) and a second evaporator (32) for coupling said working fluid to a heat source of said heat engine, the said thermodynamic system (30) further comprising a condenser (35), said ejector (31) being connected to said second evaporator (32) via a distribution device (41), said expansion machine (39) being connected to said second evaporator (32) via said distribution device (41), said expansion machine (39) and said ejector (31) being connected to said condenser (35) via a combination device ( 40). Figure 3
Description
L’invention se rapporte à un système à cycle thermodynamique dit de Rankine intégré à une boucle de climatisation mettant en œuvre un éjecteur.The invention relates to a so-called Rankine thermodynamic cycle system integrated into an air conditioning loop using an ejector.
Il est connu de l’état de la technique que seulement une petite partie de l’énergie produite par un moteur thermique est réellement transmise au véhicule ; plus de 20% correspond à de l'énergie mécanique perdue (environ 20% de pertes moteur, environ 5% de pertes dans la boîte de vitesses, et environ 2% de pertes de pompage), tandis que plus de 50% de l'énergie produite par le moteur est perdue sous forme de chaleur d'échappement et d'eau.It is known from the state of the art that only a small part of the energy produced by a heat engine is actually transmitted to the vehicle; more than 20% corresponds to lost mechanical energy (about 20% engine losses, about 5% gearbox losses, and about 2% pumping losses), while more than 50% of the energy produced by the engine is lost in the form of exhaust heat and water.
Cette chaleur rejetée par le moteur thermique peut être récupérée et partiellement reconvertie en puissance mécanique ou électrique grâce à l’utilisation d'un système à cycle thermodynamique de Rankine.This heat rejected by the heat engine can be recovered and partially reconverted into mechanical or electrical power through the use of a Rankine thermodynamic cycle system.
Un tel système utilise des fluides à changement de phase (eau ou fluide organique) pour produire de l’énergie. L’utilisation des fluides organiques permet de mieux s’adapter aux températures pour valoriser la chaleur rejetée à faible température. La sélection du fluide de travail est un facteur affectant l’efficacité du cycle. La différence entre le cycle de Rankine organique (ou ORC pour "Organic Rankine Cycle" en anglais) et le cycle classique, appelé également "Steam Rankine" en anglais, est l’utilisation d’un fluide de travail organique à la place de la vapeur d’eau, dans ce cas, le point critique est atteint à une température et une pression plus faible comparé avec l’eau. La source chaude sur un véhicule pourra être, soit le liquide de refroidissement, soit les gaz d’échappement.Such a system uses phase change fluids (water or organic fluid) to produce energy. The use of organic fluids makes it possible to better adapt to temperatures to valorize the heat rejected at low temperature. The selection of the working fluid is a factor affecting cycle efficiency. The difference between the organic Rankine cycle (or ORC for "Organic Rankine Cycle" in English) and the classic cycle, also called "Steam Rankine" in English, is the use of an organic working fluid instead of the water vapour, in this case the critical point is reached at a lower temperature and pressure compared with water. The heat source on a vehicle may be either the coolant or the exhaust gases.
Comme on peut le voir sur la figure 1, un système à cycle de Rankine 1 comporte une pompe de liquide 2, un évaporateur 3 (échangeur chaud couplant le fluide de travail de la boucle à de l'air chaud A_ch ou bien au liquide de refroidissement du moteur, une turbine 4 ou un autre type de machine de détente, ainsi qu'un condenseur 5 (échangeur froid couplant le fluide de travail de la boucle à de l'air froid). Le cycle ORC est composé d'une phase de compression du fluide sortant du condenseur par la pompe 2, d'une phase de chauffage du fluide à pression constante dans l'évaporateur 3, d'une phase de détente dans la turbine 4, et d'une phase de condensation à pression constante dans le condenseur 5.As can be seen in Figure 1, a Rankine cycle system 1 comprises a liquid pump 2, an evaporator 3 (hot exchanger coupling the working fluid of the loop to hot air A_ch or to the liquid of cooling of the engine, a turbine 4 or another type of expansion machine, as well as a condenser 5 (cold exchanger coupling the working fluid of the loop to cold air).The ORC cycle is composed of a phase compression of the fluid leaving the condenser by the pump 2, of a heating phase of the fluid at constant pressure in the evaporator 3, of an expansion phase in the turbine 4, and of a condensation phase at constant pressure in the condenser 5.
Ainsi, le fluide de travail en sortie du condenseur 5 (Point P1) est comprimé jusqu’à atteindre une pression supérieure à la sortie de la pompe 2 (Point P2). Le fluide passe alors à travers l'évaporateur 3 dans lequel il est chauffé et vaporisé grâce à un échange de chaleur entre la source de chaleur et le fluide de travail. A la sortie de l'évaporateur 3 (cf. point P3), le fluide possède une enthalpie plus élevée et passe alors dans la turbine 4 dans laquelle il subit une détente productrice de travail. La turbine 4 entraîne généralement une génératrice électrique qui permet de réinjecter la puissance sous forme électrique. Le fluide à la sortie de la turbine 4 (Point P4) est ensuite condensé dans le condenseur 5 pour revenir se comprimer de nouveau.Thus, the working fluid at the outlet of condenser 5 (Point P1) is compressed until it reaches a higher pressure at the outlet of pump 2 (Point P2). The fluid then passes through the evaporator 3 in which it is heated and vaporized thanks to a heat exchange between the heat source and the working fluid. At the outlet of the evaporator 3 (cf. point P3), the fluid has a higher enthalpy and then passes into the turbine 4 in which it undergoes work-producing expansion. The turbine 4 generally drives an electric generator which makes it possible to reinject the power in electrical form. The fluid at the outlet of turbine 4 (Point P4) is then condensed in condenser 5 to return to compress again.
Par ailleurs, il est également connu de l’état de la technique un système thermodynamique 20 de climatisation à éjecteur, comme cela peut être vu sur la figure 2. Un tel système thermodynamique 20 comprend un éjecteur 21. L’éjecteur 21 présente une tuyère convergente à son entrée puis divergente permettant ainsi de détendre le fluide de travail à haute pression provenant d’un bouilleur 22. L’éjecteur 21 aspire le fluide de travail à basse pression provenant de l’évaporateur 23 permettant ainsi de faire circuler le fluide de travail. Le système thermodynamique 20 comprend en outre une pompe 24 de circulation du fluide de travail, un condenseur 25 ayant pour fonction de rejeter la chaleur résiduelle à l’extérieur et un détendeur 26 ayant pour fonction de détendre le fluide de travail sortant du condenseur 25. Le système thermodynamique 20 à éjecteur fonctionne de la manière décrite ci-après. Une première partie du fluide de travail sortant du condenseur 25 est comprimée par la pompe 24, le fluide de travail à haute pression sortant de la pompe 24 pénètre ensuite dans le bouilleur 22 dans lequel le fluide de travail est chauffé, vaporisé et surchauffé par un fluide chaud entrant dans le bouilleur 22 par l’entrée 27 et sortant du bouilleur 22 par la sortie 28. Le fluide de travail sous forme de vapeur surchauffée à haute pression se détend ensuite dans l’éjecteur 21 pour aspirer du fluide de travail sous de vapeur provenant de l’évaporateur 23. La deuxième partie de fluide de travail sortant du condenseur 25 se détend dans le détendeur 26 pour ainsi produire du froid dans l’évaporateur.Furthermore, there is also known in the prior art a thermodynamic air conditioning system 20 with an ejector, as can be seen in FIG. 2. Such a thermodynamic system 20 comprises an ejector 21. The ejector 21 has a nozzle converging at its inlet then diverging, thus making it possible to relax the high-pressure working fluid coming from a boiler 22. The ejector 21 draws in the low-pressure working fluid coming from the evaporator 23, thus making it possible to circulate the work. The thermodynamic system 20 further comprises a pump 24 for circulating the working fluid, a condenser 25 whose function is to reject the residual heat to the outside and an expander 26 whose function is to expand the working fluid leaving the condenser 25. The thermodynamic ejector system 20 operates in the manner described below. A first part of the working fluid leaving the condenser 25 is compressed by the pump 24, the high pressure working fluid leaving the pump 24 then enters the boiler 22 in which the working fluid is heated, vaporized and superheated by a hot fluid entering the boiler 22 through the inlet 27 and leaving the boiler 22 through the outlet 28. The working fluid in the form of superheated vapor at high pressure then expands in the ejector 21 to draw in working fluid under vapor coming from the evaporator 23. The second part of working fluid leaving the condenser 25 expands in the expander 26 to thus produce cold in the evaporator.
De nos jours les véhicules, notamment automobiles, comprennent un nombre croissant d’équipements électriques nécessitant par conséquent une production d’énergie électrique de plus en plus importante. Un système à cycle thermodynamique de Rankine 1 répond à cette problématique. En effet, la turbine 4 génère de l’énergie mécanique et entraîne une génératrice électrique. La génératrice électrique produit ainsi une partie de l’énergie électrique nécessaire aux divers équipements électriques du véhicule. L’inconvénient majeur de ce mode de production d’électricité est qu’il nécessite des composants supplémentaires venant par conséquent ajouter de la masse au véhicule. En outre, il est nécessaire de prévoir un volume, dans ledit véhicule, pour accueillir ces composants supplémentaires. Pour certains véhicules, il est très difficile, voire impossible, d’intégrer ces composants car l’espace disponible y est très limité. Afin de tenter de résoudre ces divers inconvénients, il a été proposé le système thermodynamique 20 de climatisation à éjecteur tel qu’illustré sur la figure 2. Bien que ce système permette un gain de masse et de volume, l’intégration d’un système à cycle thermodynamique de Rankine 1 reste néanmoins peu avantageux dans l’environnement d’un véhicule, notamment automobile. En effet, les gains énergétiques obtenus ne permettent pas de compenser les dépenses énergétiques supplémentaires, notamment en carburant, résultant de la masse embarquée supplémentaire d’un tel système thermodynamique de Rankine 1.Nowadays vehicles, in particular automobiles, include an increasing number of electrical equipment requiring therefore an increasingly important production of electrical energy. A Rankine 1 thermodynamic cycle system solves this problem. Indeed, the turbine 4 generates mechanical energy and drives an electric generator. The electric generator thus produces part of the electrical energy necessary for the various electrical equipment of the vehicle. The major drawback of this method of electricity production is that it requires additional components which therefore add mass to the vehicle. Furthermore, it is necessary to provide a volume, in said vehicle, to accommodate these additional components. For some vehicles, it is very difficult, if not impossible, to integrate these components because the space available is very limited. In an attempt to solve these various drawbacks, the thermodynamic ejector air conditioning system 20 has been proposed as illustrated in FIG. Rankine 1 thermodynamic cycle nevertheless remains of little advantage in the environment of a vehicle, in particular an automobile. Indeed, the energy gains obtained do not make it possible to compensate for the additional energy expenditure, in particular in fuel, resulting from the additional on-board mass of such a Rankine 1 thermodynamic system.
Le but de l’invention est de pallier les inconvénients de l’art antérieur en proposant un système thermodynamique pour véhicule, notamment automobile, permettant de produire de l’énergie électrique et de climatiser l’habitacle dudit véhicule, et ayant pour avantage d’utiliser, au moins en partie, les composants dudit véhicule et ainsi permettre un allégement dudit véhicule.The object of the invention is to overcome the drawbacks of the prior art by proposing a thermodynamic system for a vehicle, in particular an automobile, making it possible to produce electrical energy and to air-condition the passenger compartment of said vehicle, and having the advantage of use, at least in part, the components of said vehicle and thus allow a reduction of said vehicle.
Pour ce faire, l’invention se rapporte ainsi, dans son acceptation la plus large, à un système thermodynamique pour véhicule, notamment automobile, muni d’un moteur thermique comportant :To do this, the invention thus relates, in its broadest sense, to a thermodynamic system for a vehicle, in particular an automobile, equipped with a heat engine comprising:
- un circuit de climatisation comprenant :- an air conditioning circuit comprising:
- un premier évaporateur apte à absorber une chaleur provenant de l’habitacle dudit véhicule,- a first evaporator capable of absorbing heat from the passenger compartment of said vehicle,
- un détenteur, et- a holder, and
- un éjecteur,- an ejector,
- un système à cycle thermodynamique de Rankine apte à récupérer une énergie provenant dudit moteur thermique comprenant :- a Rankine thermodynamic cycle system capable of recovering energy from said heat engine comprising:
- une machine de détente, telle qu’une turbine,- an expansion machine, such as a turbine,
- une pompe destinée à augmenter la pression d’un fluide de travail, et- a pump intended to increase the pressure of a working fluid, and
- un deuxième évaporateur destiné à coupler ledit fluide de travail à une source de chaleur dudit moteur thermique, ledit système thermodynamique comporte en outre un condenseur commun audit circuit de climatisation et audit système à cycle thermodynamique de Rankine, ledit éjecteur étant relié audit deuxième évaporateur par l’intermédiaire d’un dispositif de répartition, ledit condenseur étant relié directement à ladite pompe elle-même reliée directement audit deuxième évaporateur, ladite machine de détente étant reliée audit deuxième évaporateur par l’intermédiaire dudit dispositif de répartition, ladite machine de détente et ledit éjecteur étant reliés audit condenseur par l’intermédiaire d’un dispositif de combinaison.- a second evaporator intended to couple said working fluid to a heat source of said heat engine, said thermodynamic system further comprises a condenser common to said air conditioning circuit and to said Rankine thermodynamic cycle system, said ejector being connected to said second evaporator by via a distribution device, said condenser being connected directly to said pump itself directly connected to said second evaporator, said expansion machine being connected to said second evaporator via said distribution device, said expansion machine and said ejector being connected to said condenser via a combining device.
De préférence, ledit éjecteur comporte une première entrée et une deuxième entrée, ladite première entrée recevant un premier flux provenant dudit premier évaporateur et ladite deuxième entrée recevant un deuxième flux provenant dudit deuxième évaporateur.Preferably, said ejector has a first inlet and a second inlet, said first inlet receiving a first stream from said first evaporator and said second inlet receiving a second stream from said second evaporator.
Selon un mode préféré, ledit circuit de climatisation et ledit système à cycle thermodynamique de Rankine utilisent un même fluide de travail de type organique.According to a preferred mode, said air conditioning circuit and said Rankine thermodynamic cycle system use the same working fluid of organic type.
Avantageusement, ledit fluide de travail est de l’eau, un fluide contenant du dioxyde de carbone ou un fluide frigorigène, par exemple du type R-1234yf.Advantageously, said working fluid is water, a fluid containing carbon dioxide or a refrigerant, for example of the R-1234yf type.
Avantageusement, ledit deuxième évaporateur est installé sur un circuit de refroidissement dudit moteur thermique.Advantageously, said second evaporator is installed on a cooling circuit of said heat engine.
De préférence, ledit circuit de refroidissement comporte un boîtier de sortie de liquide de refroidissement, le deuxième évaporateur étant installé entre une sortie dudit boîtier de sortie de liquide de refroidissement et un radiateur dudit véhicule.Preferably, said cooling circuit comprises a coolant outlet box, the second evaporator being installed between an outlet of said coolant outlet box and a radiator of said vehicle.
Avantageusement, ledit éjecteur comporte une tuyère convergente divergente.Advantageously, said ejector comprises a convergent-divergent nozzle.
De préférence, ladite machine de détente est une turbine axiale ou radiale, ou une machine à pistons.Preferably, said expansion machine is an axial or radial turbine, or a piston machine.
De préférence, ledit dispositif de combinaison est une vanne trois voies.Preferably, said combining device is a three-way valve.
De préférence, ladite machine de détente est reliée à une génératrice d’électricité ou au vilebrequin dudit moteur thermique.Preferably, said expansion machine is connected to an electricity generator or to the crankshaft of said heat engine.
On décrira ci-après, à titre d’exemples non limitatifs, une forme d’exécution de la présente invention, en référence aux figures annexées sur lesquelles :An embodiment of the present invention will be described below, by way of non-limiting examples, with reference to the appended figures in which:
La figure 3 illustre schématiquement un mode de réalisation de la présente invention. Le système thermodynamique 30, selon l’invention, présente un circuit de climatisation 42, également dénommé boucle de climatisation, et une boucle de récupération 43, également appelée boucle de Rankine. Le circuit de climatisation 42 comporte un détenteur 36, un premier évaporateur 33, pour absorber la chaleur provenant de l’habitacle du véhicule, un éjecteur 31 et un condenseur 35. La boucle de récupération 43, quant à elle, est destinée à récupérer une énergie dissipée par le moteur thermique du véhicule et comprend une pompe 34 apte à augmenter la pression du fluide de travail du système thermodynamique 30 et un deuxième évaporateur 32, également appelé bouilleur, pour coupler le fluide de travail à une source de chaleur du moteur thermique. La boucle de récupération 43 utilise également le condenseur 35. En outre, la boucle de récupération 43 comporte une machine de détente 39 apte à produire une détente productrice de travail, afin d’alimenter, par exemple, une génératrice d’électricité. Dans un mode de réalisation préféré, la machine de détente 39 est une turbine radiale ou axiale. La machine de détente 39 peut également être un expanseur à spirales, un expanseur à pistons, un expanseur à vis, un moteur Wankel ou une turbine à impulsion.Figure 3 schematically illustrates an embodiment of the present invention. The thermodynamic system 30, according to the invention, has an air conditioning circuit 42, also called air conditioning loop, and a recovery loop 43, also called Rankine loop. The air conditioning circuit 42 comprises a holder 36, a first evaporator 33, to absorb the heat coming from the passenger compartment of the vehicle, an ejector 31 and a condenser 35. The recovery loop 43, for its part, is intended to recover a energy dissipated by the heat engine of the vehicle and comprises a pump 34 able to increase the pressure of the working fluid of the thermodynamic system 30 and a second evaporator 32, also called a boiler, to couple the working fluid to a heat source of the heat engine . The recovery loop 43 also uses the condenser 35. In addition, the recovery loop 43 comprises an expansion machine 39 able to produce a work-producing expansion, in order to supply, for example, an electricity generator. In a preferred embodiment, the expansion machine 39 is a radial or axial turbine. The expansion machine 39 can also be a scroll expander, a piston expander, a screw expander, a Wankel engine or an impulse turbine.
L’éjecteur 31 comporte une première entrée 45 reliée directement au premier évaporateur 33 et une deuxième entrée 44 reliée au deuxième évaporateur 32 par l’intermédiaire d’un dispositif de répartition 41, par exemple une vanne trois voies. L’éjecteur 31 comporte en outre une tuyère convergente puis divergente. Le fluide de travail pénétrant dans l’éjecteur 31 par la deuxième entrée 44 se détend de manière à aspirer le fluide de travail pénétrant dans l’éjecteur 31 par la première entrée 45. Le fluide de travail provenant de la première entrée 45 et de la deuxième entrée 44 se mixent pour ensuite sortir par la sortie 46 de l’éjecteur 31. La sortie 46 est reliée au condenseur 35 par l’intermédiaire d’un dispositif de combinaison 40, par exemple une vanne trois voies.The ejector 31 comprises a first inlet 45 directly connected to the first evaporator 33 and a second inlet 44 connected to the second evaporator 32 via a distribution device 41, for example a three-way valve. The ejector 31 further comprises a convergent then divergent nozzle. The working fluid entering the ejector 31 through the second inlet 44 expands so as to suck the working fluid entering the ejector 31 through the first inlet 45. The working fluid coming from the first inlet 45 and the second inlet 44 mix to then exit through outlet 46 of ejector 31. Outlet 46 is connected to condenser 35 via a combination device 40, for example a three-way valve.
La circulation du fluide de travail dans la boucle de climatisation 42 est décrit ci-après. Après avoir traversé le détendeur 36, le fluide de travail passe à l'intérieur de l'évaporateur 33 au sein duquel le fluide absorbe la chaleur de l’air habitacle en changeant d’état physique, c’est-à-dire en passant en phase gazeuse. En sortie de l’évaporateur 33, le fluide de travail circule jusqu'à l’éjecteur 31 qui le comprime. Le fluide de travail sous forme de gaz haute pression, en sortie de la machine de détente 39, est introduit dans le condenseur 35 au sein duquel le gaz cède sa chaleur à l’air extérieur traversant le condenseur 35 grâce à l’avancement du véhicule et/ou au fonctionnement du groupe moto-ventilateur.The circulation of the working fluid in the air conditioning loop 42 is described below. After having passed through the expansion valve 36, the working fluid passes inside the evaporator 33 within which the fluid absorbs the heat from the cabin air by changing its physical state, that is to say by passing in the gas phase. At the outlet of the evaporator 33, the working fluid circulates to the ejector 31 which compresses it. The working fluid in the form of high pressure gas, at the outlet of the expansion machine 39, is introduced into the condenser 35 within which the gas gives up its heat to the outside air passing through the condenser 35 thanks to the advancement of the vehicle. and/or the operation of the motor-driven fan unit.
La circulation du fluide de travail dans la boucle de récupération 43 est décrit ci-après. Le fluide de travail en la sortie du condenseur 35 est comprimé par la pompe 34 afin d’en augmenter la pression. Le fluide passe alors à travers l'évaporateur 32 dans lequel il est chauffé et vaporisé grâce à un échange de chaleur entre la source de chaleur et le fluide de travail. A la sortie de l'évaporateur 32, le fluide de travail possède une enthalpie plus élevée et passe alors, en partie, dans la machine de détente 39, par exemple une turbine, dans laquelle il subit une détente productrice de travail. La machine de détente 39 entraîne généralement une génératrice électrique qui permet de réinjecter la puissance sous forme électrique. Le fluide de travail à la sortie de machine de détente 39 est ensuite condensé dans le condenseur 35 pour ensuite être de nouveau comprimé.The circulation of the working fluid in the recovery loop 43 is described below. The working fluid at the outlet of condenser 35 is compressed by pump 34 in order to increase its pressure. The fluid then passes through the evaporator 32 in which it is heated and vaporized thanks to a heat exchange between the heat source and the working fluid. At the outlet of the evaporator 32, the working fluid has a higher enthalpy and then passes, in part, into the expansion machine 39, for example a turbine, in which it undergoes work-producing expansion. The expansion machine 39 generally drives an electric generator which makes it possible to reinject the power in electrical form. The working fluid at the outlet of the expansion machine 39 is then condensed in the condenser 35 to then be compressed again.
La configuration du système thermodynamique 30 permet ainsi d’avoir un fonctionnement simultané de la boucle de récupération 43 et de la boucle de climatisation 42. Le condenseur 35 est commun à la boucle de récupération 43 et de la boucle de climatisation 42 permettant ainsi de réduire le nombre de composants et ainsi diminuer la masse transportée par le véhicule. En outre, l’éjecteur 31 remplace avantageusement le compresseur que l’on retrouve classiquement dans une boucle de climatisation permettant ainsi un gain de masse et une simplification de la maintenance de ladite boucle de climatisation. Le fluide de travail, à haute pression en sortie du deuxième évaporateur 32, est réparti entre la machine de détente 39 et l’éjecteur 31 grâce au dispositif de répartition 41. Le dispositif de répartition 41 est relié, d’une part, directement à la machine de détente 39, et d’autre part, directement à la deuxième entrée 44 de l’éjecteur 31. Par ailleurs, la sortie 46 de l’éjecteur 31 est reliée directement au dispositif de combinaison 40. La sortie de la machine de détente 39 est également reliée directement au dispositif de combinaison 40.The configuration of the thermodynamic system 30 thus makes it possible to have simultaneous operation of the recovery loop 43 and the air conditioning loop 42. The condenser 35 is common to the recovery loop 43 and the air conditioning loop 42 thus making it possible to reduce the number of components and thus reduce the mass transported by the vehicle. In addition, the ejector 31 advantageously replaces the compressor that is conventionally found in an air conditioning loop, thus allowing a saving in mass and a simplification of the maintenance of said air conditioning loop. The working fluid, at high pressure at the outlet of the second evaporator 32, is distributed between the expansion machine 39 and the ejector 31 thanks to the distribution device 41. The distribution device 41 is connected, on the one hand, directly to the expansion machine 39, and on the other hand, directly to the second inlet 44 of the ejector 31. Furthermore, the outlet 46 of the ejector 31 is directly connected to the combination device 40. The output of the trigger 39 is also directly connected to the combination device 40.
Suivant un mode de réalisation particulier, le deuxième évaporateur 32 est installé sur un circuit de refroidissement du moteur thermique, notamment entre une sortie du boîtier de sortie de liquide de refroidissement et le radiateur du véhicule. Alternativement, le deuxième évaporateur 32 est installé sur une ligne d’échappement du moteur thermique, notamment en aval d'un catalyseur par exemple de type SCR pour système de "Réduction Catalytique Sélective", ou autre, afin ne pas perturber son fonctionnement. En variante, le deuxième évaporateur 32 combine un évaporateur monté sur le circuit de refroidissement du moteur thermique et un évaporateur installé sur la ligne d'échappementAccording to a particular embodiment, the second evaporator 32 is installed on a cooling circuit of the thermal engine, in particular between an outlet of the coolant outlet box and the radiator of the vehicle. Alternatively, the second evaporator 32 is installed on an exhaust line of the thermal engine, in particular downstream of a catalyst, for example of the SCR type for a "Selective Catalytic Reduction" system, or other, so as not to disturb its operation. As a variant, the second evaporator 32 combines an evaporator mounted on the cooling circuit of the heat engine and an evaporator installed on the exhaust line
Etant donné que la machine de détente 39 peut être montée sur la façade accessoires du moteur thermique, le travail produit lors de la détente du fluide de travail peut être directement réinjecté mécaniquement via le dispositif de transmission, notamment à courroie ou à chaîne, entre le compresseur et le vilebrequin du moteur thermique.Given that the expansion machine 39 can be mounted on the accessories front of the thermal engine, the work produced during the expansion of the working fluid can be directly reinjected mechanically via the transmission device, in particular a belt or chain transmission device, between the compressor and the heat engine crankshaft.
Le système 43 à cycle de Rankine et le circuit de climatisation 42 utilisent un même fluide de travail de type organique. Le fluide de travail est avantageusement un fluide frigorigène, par exemple du type 1234yf. La figure 4 montre le diagramme entropique ou diagramme T (Température)-S (Entropie) d'un tel fluide de nature isentropique. On observe que la pente du diagramme dans la partie qui délimite la zone diphasique Z_D (liquide-vapeur) de la zone vapeur Z_V est verticale (pente infinie). La zone du diagramme Z_L correspond à la zone à l'état liquide.The Rankine cycle system 43 and the air conditioning circuit 42 use the same organic-type working fluid. The working fluid is advantageously a refrigerant, for example of the 1234yf type. Figure 4 shows the entropic diagram or T (Temperature)-S (Entropy) diagram of such a fluid of isentropic nature. It is observed that the slope of the diagram in the part which delimits the two-phase zone Z_D (liquid-vapor) from the vapor zone Z_V is vertical (infinite slope). The zone of the Z_L diagram corresponds to the zone in the liquid state.
Les figures 5 et 6 mettent en évidence le gain énergétique apporté par le système 43 à cycle de Rankine. Dans un moteur thermique conventionnel, de l’énergie est rejetée sous forme de chaleur majoritairement via le liquide de refroidissement moteur et les gaz d’échappement. Le système 43 permet de récupérer une partie de cette énergie thermique pour la transformer en énergie mécanique et la réinjecter sur la chaîne de traction afin d’améliorer le rendement global du groupe motopropulseur.Figures 5 and 6 highlight the energy gain provided by the Rankine cycle system 43. In a conventional heat engine, energy is rejected in the form of heat mainly via the engine coolant and the exhaust gases. System 43 makes it possible to recover part of this thermal energy to transform it into mechanical energy and reinject it into the traction chain in order to improve the overall efficiency of the powertrain.
Ainsi, comme cela est représenté sur la figure 5, lorsque le carburant génère une puissance 100 kW, une partie de cette puissance (33 kW) est perdue à l’échappement Ech et une partie de cette puissance (37 kW) est utile à la rotation Rot du moteur. Dans le cas où le deuxième évaporateur 32 est disposé sur le circuit de refroidissement Ref du moteur, le système à boucle de Rankine 43, qui a un rendement de 5%, permet de récupérer 1,5 kW de puissance mécanique pour la rotation Rot du moteur thermique, le reste étant rejeté sous forme de chaleur Chal.Thus, as shown in Figure 5, when the fuel generates a power of 100 kW, part of this power (33 kW) is lost at the exhaust Ech and part of this power (37 kW) is useful for rotation Motor rot. In the case where the second evaporator 32 is arranged on the cooling circuit Ref of the engine, the Rankine loop system 43, which has an efficiency of 5%, makes it possible to recover 1.5 kW of mechanical power for the Rot rotation of the heat engine, the rest being rejected in the form of heat Chal.
Alternativement, comme cela est représenté sur la figure 6, dans le cas où le deuxième évaporateur 32 est disposé sur le conduit d'échappement Ech, le système à boucle de Rankine 43, qui a alors un rendement augmenté de 18%, permet de récupérer 1,5 kW de puissance mécanique pour la rotation Rot du moteur thermique.Alternatively, as shown in Figure 6, in the case where the second evaporator 32 is arranged on the exhaust duct Ech, the Rankine loop system 43, which then has an increased yield of 18%, makes it possible to recover 1.5 kW of mechanical power for Rot rotation of the heat engine.
Claims (10)
- un circuit de climatisation (42) comprenant :
- un premier évaporateur (33) apte à absorber une chaleur provenant de l’habitacle dudit véhicule,
- un détenteur (36), et
- un éjecteur (31),
- un système à cycle thermodynamique de Rankine (43) apte à récupérer une énergie provenant dudit moteur thermique comprenant :
- une machine de détente (39), telle qu’une turbine,
- une pompe (34) destinée à augmenter la pression d’un fluide de travail, et
- un deuxième évaporateur (32) destiné à coupler ledit fluide de travail à une source de chaleur dudit moteur thermique,
caractérisé en ce que ledit système thermodynamique (30) comporte en outre un condenseur (35) commun audit circuit de climatisation (42) et audit système à cycle thermodynamique de Rankine (43), ledit éjecteur (31) étant relié audit deuxième évaporateur (32) par l’intermédiaire d’un dispositif de répartition (41), ledit condenseur (35) étant relié directement à ladite pompe (34) elle-même reliée directement audit deuxième évaporateur (32), ladite machine de détente (39) étant reliée audit deuxième évaporateur (32) par l’intermédiaire dudit dispositif de répartition (41), ladite machine de détente (39) et ledit éjecteur (31) étant reliés audit condenseur (35) par l’intermédiaire d’un dispositif de combinaison (40).Thermodynamic system (30) for a vehicle, in particular a car, equipped with a heat engine comprising:
- an air conditioning circuit (42) comprising:
- a first evaporator (33) capable of absorbing heat coming from the passenger compartment of said vehicle,
- a holder (36), and
- an ejector (31),
- a Rankine thermodynamic cycle system (43) capable of recovering energy from said heat engine comprising:
- an expansion machine (39), such as a turbine,
- a pump (34) for increasing the pressure of a working fluid, and
- a second evaporator (32) intended to couple said working fluid to a heat source of said heat engine,
characterized in that said thermodynamic system (30) further comprises a condenser (35) common to said air conditioning circuit (42) and to said Rankine thermodynamic cycle system (43), said ejector (31) being connected to said second evaporator (32 ) via a distribution device (41), said condenser (35) being connected directly to said pump (34) itself connected directly to said second evaporator (32), said expansion machine (39) being connected said second evaporator (32) via said distribution device (41), said expansion machine (39) and said ejector (31) being connected to said condenser (35) via a combination device (40 ).
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| CN113323736A (en) * | 2021-07-15 | 2021-08-31 | 天津腾圣科技有限公司 | Two-stage supercharging organic Rankine cycle system with injection heat regenerator |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US4523437A (en) * | 1980-10-14 | 1985-06-18 | Hybrid Energy Systems, Inc. | Vehicle air conditioning system |
| US20110289953A1 (en) * | 2010-05-27 | 2011-12-01 | Gerald Allen Alston | Thermally Enhanced Cascade Cooling System |
| WO2013046925A1 (en) * | 2011-09-30 | 2013-04-04 | 日産自動車株式会社 | Device for using engine waste heat |
-
2019
- 2019-07-02 FR FR1907296A patent/FR3098285B1/en active Active
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