FR3105362A1 - Amélioration du rendement des centrales électriques à l’aide d’une pompe à chaleur - Google Patents

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Abstract

Amélioration du rendement des centrales électriques à l’aide d’une pompe à chaleur. L’invention consiste en l’ajout d’un système de récupération d’énergie dans une centrale de génération d’électricité à partir d’une source d’énergie thermique afin d’augmenter le rendement énergétique de l’installation. Le système de récupération d’énergie 500 est constitué d’un échangeur thermique 510 permettant de récupérer l’énergie de condensation de la vapeur d’eau en sortie de turbine 310 et d’un second échangeur de chaleur 530 permettant de valoriser l’énergie captée par le premier échangeur thermique 510. La valorisation de cette énergie peut être la génération de vapeur dans un générateur de vapeur pouvant être différent du générateur de vapeur 210. Le système selon l’invention est particulièrement destiné à l’utilisation au sein d’une centrale nucléaire. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 1

Description

Amélioration du rendement des centrales électriques à l’aide d’une pompe à chaleur
Domaine technique de l'invention
Le domaine technique de l'invention est celui de la production d'électricité.
Plus précisément l'invention concerne une structure permettant d'utiliser une source de chaleur de température faible à moyenne pour alimenter un générateur de vapeur.
L'invention trouve notamment des applications pour augmenter le rendement des centrales électriques utilisant un combustible, qu'il soit chimique ou nucléaire, comme source de chaleur.
État de la technique
Il est connu de l'art antérieur des techniques que toutes les centrales thermiques fonctionnent selon la théorie des machines thermiques. Cette théorie démontre que pour générer de l'énergie, il faut qu'une source chaude fournisse de l'énergie à la machine thermique qui par la suite générera un travail mécanique et fournira de l'énergie thermique à la source froide.
L’inconvénient principal étant le transfert d'énergie vers la source froide qui est dans le cas des centrales électriques, l'environnement. Dans les centrales nucléaires, cela se traduit par la nécessité de condenser la vapeur d'eau en sortie de la turbine qui a permis de faire fonctionner l'alternateur produisant l’électricité, avant de pouvoir réutiliser cette eau pour générer de la vapeur. Pour cela les centrales électriques utilisent un circuit de refroidissement qui permet d'évacuer l'énergie de la condensation de la vapeur d'eau vers l'extérieur de la centrale, c'est à dire, l'environnement. Ceci peut être réalisé via des tours aéroréfrigérantes et/ou l'eau d'une rivière ou de la mer. Cette évacuation d'énergie peut poser des problèmes environnementaux et sécuritaires dans une période de sécheresse ou de canicule.
Ainsi avec un rendement d'environ 35%, les centrales nucléaires actuelles libèrent près de deux fois plus d'énergie dans l'environnement qu'elles ne produisent d'énergie électrique.
Aucuns des systèmes actuels ne permettent de récupérer l'énergie de la condensation de l'eau en sortie de turbine pour la valoriser, que ce soit pour la génération d'énergie ou le chauffage de locaux industriels ou privés.
La présente invention vise à remédier à tout ou partie des inconvénients de l'état de l'art de la technique cités ci-dessus.
A cet effet, la présente invention vise une structure de centrale électrique utilisant une source d'énergie thermique, la nature de la source de l'énergie thermique n'étant pas limitatif de l'invention.
Une centrale électrique utilisant une source d'énergie thermique peut être par exemple une centrale nucléaire, une centrale à charbon, une centrale géothermique, etc.
Une centrale électrique utilisant une source d'énergie thermique chauffe de l'eau jusqu'à ébullition pour former de la vapeur dans ce que l'on appelle un générateur de vapeur. Cette vapeur est ensuite dirigée vers une turbine afin de mettre cette dernière en mouvement. La turbine est reliée à un alternateur permettant de transformer ce mouvement en énergie électrique. La vapeur d'eau en entrée de la turbine se retrouve à la sortie sous forme d'un mélange de vapeur d'eau et d'eau liquide. Avant de pouvoir réintroduire l'eau dans le circuit, il est nécessaire de condenser la vapeur d'eau en eau liquide. Pour cela un système de refroidissement capture l'énergie de la vapeur d'eau et la dissipe dans la nature selon une ou des techniques.
L'utilisation de vapeur d'eau pour mettre la turbine en mouvement n'est pas limitative de l'invention. La présence ou non d'un système d'évacuation d'énergie comme une tour aéroréfrigérante n'est pas limitative de l'invention.
Selon l'invention, la structure de la centrale électrique comprend au moins un système de récupération d'énergie permettant de capturer l'énergie de la vapeur d'eau en sortie de turbine à l'aide d'une pompe à chaleur et de la revaloriser.
Dans des moyens de réalisation particuliers, cette énergie est captée à l'aide d'un échangeur thermique en sortie de la turbine. Cet échangeur thermique permet de chauffer un fluide caloporteur. Ce fluide en sortie d'échangeur est alors comprimé, ce qui a pour effet d'élever sa température. Une fois comprimé le fluide caloporteur et dirigé vers un second échangeur thermique afin de transférer l'énergie acquise à un générateur de vapeur. Cette énergie peut être utilisée dans des modes non limitatifs de l'invention à préchauffer l'eau arrivant dans le générateur de vapeur, générer de la vapeur, surchauffer la vapeur, etc. En sortie de ce second échangeur, le fluide caloporteur est dirigé vers un détendeur ou sa pression est réduite. Ceci a pour effet d'abaisser sa température. Suite à quoi le fluide caloporteur peut rejoindre le premier échangeur thermique et recommencer le cycle décrit dans ce paragraphe.
Brève description des figures
D'autres avantages, buts et caractéristiques particulières de la présente invention ressortiront de la description non limitative qui suit au moins un mode de réalisation particulier des dispositifs et procédés objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels:
La figure 1 représente le fonctionnement simplifié d'une centrale nucléaire équipée de la présente invention;
La figure 2 représente le fonctionnement simplifié d'une centrale nucléaire conventionnelle.
Description détaillée de mode de réalisation de l'invention
La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d'un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse.
On note, dès à présent, que les figures ne sont pas à l'échelle.
Exemple d'un mode de réalisation particulier de l'invention
La figure 1 représente une centrale nucléaire 10 équipée du système de récupération d'énergie 500. La centrale nucléaire 10 comprend notamment un circuit primaire 100, un circuit secondaire 200, un système de transformation d'énergie 300 et un système de récupération d'énergie 500.
Dans le présent exemple non limitatif de l'invention, la centrale nucléaire 10 fonctionne de la façon décrite dans les paragraphes suivants.
Dans le circuit primaire 100, la cuve du réacteur 110 chauffe l'eau 130 du circuit primaire 100. Cette eau 130 chauffée est acheminée à l'échangeur thermique 120 pour transférer son énergie thermique 140 au circuit secondaire 200 au niveau du générateur de vapeur 210. Cet apport d'énergie thermique 140 permet de générer de la vapeur d'eau 220 qui est ensuite dirigée vers le système de transformation d'énergie 300. La vapeur d'eau 220 met alors en mouvement la turbine 310 qui entraîne, via un arbre de transmission 315, l'alternateur 320. L'alternateur 320 transforme l'énergie mécanique reçue par l'arbre de transmission 315 en énergie électrique 330.
En sortie de la turbine 310, la vapeur d'eau 220 ressort sous un mélange de vapeur d'eau et d'eau 240. Le système de récupération d'énergie, à l'aide de l'échangeur thermique 510, permet de condenser la vapeur d'eau du mélange de vapeur d'eau et eau 240 en eau 230. Cette condensation s'accompagne d'un transfert d'énergie thermique 515 du mélange de vapeur d'eau et d'eau 240 vers le fluide caloporteur 550 présent dans l'échangeur thermique 510. Ceci a pour effet de réchauffer le fluide caloporteur 550. Le fluide caloporteur 550 est ensuite dirigé vers le compresseur 520 pour y être comprimé. Ce qui a pour effet d'élever la température du fluide caloporteur 550. Une fois comprimé par le compresseur 520, le fluide caloporteur 550 est dirigé vers l'échangeur thermique 530. Dans cet échangeur thermique, le fluide caloporteur 550 transfère de l'énergie thermique 535 à l'eau 220 dans le générateur de vapeur 210 du circuit secondaire 200. Après ce transfert d'énergie thermique 535, le fluide caloporteur 550 est dirigé vers le détendeur 540 afin d'être détendu. Ceci a pour effet d'abaisser la température du fluide caloporteur 550. Une fois détendu, le fluide caloporteur 550 est dirigé vers l'échangeur thermique 510 pour recommencer le cycle décrit dans ce paragraphe.
Après condensation du mélange de vapeur d'eau et d'eau 240 en eau 230 du circuit secondaire 200 en sortie de turbine 310 par le système de récupération d'énergie 500, l'eau 230 est acheminée vers le générateur de vapeur 210 pour recommencer le cycle du circuit secondaire 200.
Dans une centrale nucléaire conventionnelle 20 représentée par la figure 2, le fonctionnement décrit ci-dessus est le même que celui de la centrale nucléaire 10 représentée dans la figure 1 jusqu'à la sortie de la turbine 310 avec en sortie un mélange de vapeur d'eau et d'eau 240. Pour condenser la vapeur d'eau du mélange de vapeur d'eau et d'eau 240, un système de refroidissement 400 est utilisé. Dans ce circuit de refroidissement 400, un échangeur thermique 410 permet de capter l'énergie thermique 415 de la condensation du mélange de vapeur d'eau et d'eau 240 afin de réchauffer de l'eau 450. Une fois l'eau 450 réchauffée elle peut être relâchée dans la mer ou une rivière 460 et/ou être dirigée vers une tour aéroréfrigérante 440 afin d'évacuer l'énergie thermique 435 en dehors de la centrale nucléaire 20.

Claims (9)

  1. Centrale électrique avec source d’énergie thermique générant de la vapeur d’eau entrainant une turbine caractérisée en ce qu’elle comprend un système de récupération d’énergie (500: 510, 515, 520, 530, 540, 550) constitué d’un échangeur thermique 510 permettant de récupérer l’énergie de condensation de la vapeur d’eau en sortie de turbine 310 et d’un second échangeur de chaleur 530 permettant de transférer l’énergie captée par le premier échangeur thermique 510.
  2. Centrale électrique équipée d’un système de récupération d’énergie 500 selon la revendication 1 en ce qu’il comprend des moyens de transfert de l'énergie thermique récupérée 515 vers le fluide caloporteur du circuit secondaire 200 de la centrale.
  3. Centrale électrique équipée d’un système de récupération d’énergie 500 selon la revendication 2 en ce qu’il comprend des moyens de transfert de l’énergie récupérée 515 pour préchauffer l’eau arrivant dans le générateur de vapeur.
  4. Centrale électrique équipée d’un système de récupération d’énergie 500 selon la revendication 2 en ce qu’il comprend des moyens de transfert de l’énergie récupérée 515 pour générer de la vapeur d’eau.
  5. Centrale électrique équipée d’un système de récupération d’énergie 500 selon la revendication 2 en ce qu’il comprend des moyens de transfert de l’énergie récupérée 515 pour surchauffer de la vapeur d’eau.
  6. Centrale électrique équipée d’un système de récupération d’énergie 500 selon la revendication 1 en ce qu’il comprend des moyens de transfert de l’énergie récupérée 515 pour générer du chauffage de locaux.
  7. Centrale électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans laquelle le système de récupération d'énergie 500 en ce qu’il comprend un compresseur 520.
  8. Centrale électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 dans laquelle le système de récupération d'énergie 500 en ce qu’il comprend un détendeur 540.
  9. Centrale électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans laquelle le système de récupération d’énergie 500 est une pompe à chaleur.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB703979A (en) * 1952-10-02 1954-02-10 Henry Gordon Turnell Improvements in steam power installations
DE3034500A1 (de) * 1979-09-26 1982-04-22 Dietrich E. Dipl.-Ing. 8012 Ottobrunn Singelmann Kompressorlose waermepumpe (insbesondere fuer den einbau in ein dampfkraftwerk) mit vergroesserter regelfaehigkeit
JPH02181002A (ja) * 1989-01-05 1990-07-13 Yoshihide Nakamura 複流体タービンプラント
US20040088993A1 (en) * 2002-11-13 2004-05-13 Radcliff Thomas D. Combined rankine and vapor compression cycles
DE202005008547U1 (de) * 2005-05-23 2006-06-14 Brückner, Jürgen, Dr. Ing. Schaltungsanordnungen zur Stromgewinnung aus zentralen und Niedertemperaturheizsystemen mittels ORC-Technik

Patent Citations (5)

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