FR3138938A1 - LOW TEMPERATURE THERMAL MACHINE USING A SUPERCRITICAL CO2 (S-CO2) POWER CYCLE - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne une machine thermique à cycle de puissance à CO2 supercritique qui peut être utilisée pour la production d’énergie électrique. L’innovation est représentée par l’absence de la pompe/compresseur dans le cycle de puissance et par son fonctionnement à pressions élevées à basses températures. Le circuit fermé contenant le fluide moteur est composé d’un réservoir/condenseur relié par des vannes à deux ou plusieurs dispositifs qui ont la fonction de concentrateurs, d’évaporateurs et de condenseurs selon les besoins. Le réservoir contient du dioxyde de carbone à l’état liquide et gazeux à une température inférieure à sa température critique. La quantité de fluide à l’état liquide doit permettre le remplissage des concentrateurs/évaporateurs/condenseurs par le principe des vases communicants. Les concentrateurs/évaporateurs/condenseurs ont plusieurs fonctions: quand ils sont refroidis le CO2 liquide contenu dans le réservoir passe dans le concentrateur; par réchauffement le CO2 à très haute densité passe à l’état supercritique. Dans ces conditions le concentrateur fonctionne comme un véritable évaporateur pour produire du travail mécanique par le moyen d’un détendeur volumétrique. Ce processus continue jusqu’au moment que sa pression baisse et l’évaporateur termine d’alimenter le détendeur. Une fois exclus de l’alimentation du détendeur il est immédiatement substitué par un deuxième évaporateur prêt à prendre le relais. Pendant la phase d’expansion du gaz il y a toujours un concentrateur froid qui se charge de fluide à état liquide pour, après être chauffé, se transformer en évaporateur à haute densité et à haute pression qui entraîne le détendeur.The present invention relates to a supercritical CO2 power cycle thermal machine which can be used for the production of electrical energy. The innovation is represented by the absence of the pump/compressor in the power cycle and by its operation at high pressures at low temperatures. The closed circuit containing the working fluid is composed of a tank/condenser connected by valves to two or more devices which have the function of concentrators, evaporators and condensers as required. The tank contains carbon dioxide in liquid and gaseous states at a temperature below its critical temperature. The quantity of fluid in the liquid state must allow the concentrators/evaporators/condensers to be filled using the principle of communicating vessels. Concentrators/evaporators/condensers have several functions: when they are cooled, the liquid CO2 contained in the tank passes into the concentrator; by heating, very high density CO2 passes to the supercritical state. Under these conditions the concentrator functions as a real evaporator to produce mechanical work by means of a volumetric expander. This process continues until its pressure drops and the evaporator finishes feeding the expander. Once excluded from the regulator supply, it is immediately replaced by a second evaporator ready to take over. During the gas expansion phase there is always a cold concentrator which is loaded with fluid in liquid state to, after being heated, transform into a high density and high pressure evaporator which drives the expander.
Description
La présente invention concerne une machine thermique à cycle de puissance à CO2 supercritique (S-CO2) à basse température qui peut être utilisée, entre autres applications, pour la production d’énergie électrique à partir d'énergies renouvelables et de la récupération de chaleur des activités industrielles et tertiaires.The present invention relates to a low temperature supercritical CO2 (S-CO2) power cycle thermal machine which can be used, among other applications, for the production of electrical energy from renewable energy and heat recovery industrial and tertiary activities.
Les machines thermiques sont constituées fondamentalement d’un évaporateur, un détendeur, un condenseur et une pompe pour transférer le fluide refroidi à l’état liquide du condenseur à basse pression à l’évaporateur à haute température et à haute pression. Ils existent des solutions qui prévoient l’élimination de la pompe dans le cycle mais pour des différences de pressions moins importantes et avec des pertes du travail utile produit par la machine pour garantir la continuité des cycles. Les systèmes thermodynamiques à basse températures, pour avoir des bons rendements, doivent réduire au maximum les pertes d’énergie utile produite et nous avons éliminé avec cette invention un élément, la pompe, très énergivore et complexe pour un système fonctionnant à des pressions très élevées.Thermal machines basically consist of an evaporator, an expander, a condenser and a pump to transfer the cooled fluid to the liquid state from the low pressure condenser to the high temperature and high pressure evaporator. There are solutions that provide for the elimination of the pump in the cycle but for lower pressure differences and with losses of useful work produced by the machine to guarantee the continuity of the cycles. Low temperature thermodynamic systems, to have good yields, must minimize the losses of useful energy produced and with this invention we have eliminated an element, the pump, which is very energy consuming and complex for a system operating at very high pressures. .
La machine thermique objet de cette invention est constitué, dans sa forme la plus simple, des suivants éléments : une source chaude (5), une source froide (4), deux circuits de fluide approprié (17 et 18) qui alimentent les échangeurs de chaleur (6) par les sources froide et chaude, un circuit fermé dans lequel est contenu le fluide moteur, un détendeur volumétrique (8), un volant libre (9) et un générateur d’électricité (10). Le circuit fermé est composé de trois typologies de composants ayant des caractéristiques spécifiques : un réservoir / condenseur (1) avec à l’intérieur un échangeur de chaleur (6) relié à la source froide, deux ou plusieurs concentrateur / évaporateur / condenseur (2 et 3) avec à l’intérieur un échangeur de chaleur (6) relié alternativement à la source froide et à la source chaude et un gaz-cooler (7). Ces éléments sont en communication entre eux par des électrovannes (de 11 à 16) commandées par une unité de contrôle électronique. Deux vannes de sécurité (20) et trois manomètres (19) sont placées dans le circuit. Il est aussi important de remarquer que les composants de ce circuit doivent respecter des positionnements compatibles avec leur fonctionnement et tenir compte des principes de la mécanique des fluides et notamment des vases communicants.The thermal machine which is the subject of this invention is made up, in its simplest form, of the following elements: a hot source (5), a cold source (4), two circuits of appropriate fluid (17 and 18) which supply the heat exchangers heat (6) by the cold and hot sources, a closed circuit in which the working fluid is contained, a volumetric expander (8), a free flywheel (9) and an electricity generator (10). The closed circuit is made up of three types of components with specific characteristics: a tank/condenser (1) with inside a heat exchanger (6) connected to the cold source, two or more concentrator/evaporator/condenser (2 and 3) with inside a heat exchanger (6) connected alternately to the cold source and the hot source and a gas-cooler (7). These elements are in communication with each other by solenoid valves (11 to 16) controlled by an electronic control unit. Two safety valves (20) and three pressure gauges (19) are placed in the circuit. It is also important to note that the components of this circuit must respect positions compatible with their operation and take into account the principles of fluid mechanics and in particular communicating vessels.
Le réservoir / condenseur contient la quantité la plus importante de la totalité de CO2 présente dans le circuit. Le CO2 est maintenu constamment à basse température par la source froide (4) au moyen d’un échangeur de chaleur (6). Le réservoir / condenseur doit contenir du CO2 soit à l'état liquide soit à l'état de gaz. La quantité de CO2 à l’état liquide doit atteindre un niveau qui permet d’avoir une densité du fluide comme indiqué dans la
- dans une première phase l’échangeur de chaleur (6) est relié à la source froide (5) et, avec l’ouverture des vannes vers le réservoir et par le principe des vases communicantes, on a une très forte concentration de CO2 à l'état liquide à basse température et à haute densité (concentrateur);- in a first phase the heat exchanger (6) is connected to the cold source (5) and, with the opening of the valves towards the tank and by the principle of the communicating vessels, we have a very high concentration of CO2 at liquid state at low temperature and high density (concentrator);
- ensuite, après la fermeture des vannes du réservoir et l’ouverture de la vanne du détendeur, par augmentation de la température au moyen de l’échangeur de chaleur (6) relié cette fois à la source chaude (4), le CO2 passe à l'état supercritique à très forte pression, due à sa haute densité, pour produire du travail mécanique à travers le détendeur volumétrique (évaporateur);- then, after closing the tank valves and opening the regulator valve, by increasing the temperature by means of the heat exchanger (6) this time connected to the hot source (4), the CO2 passes in the supercritical state at very high pressure, due to its high density, to produce mechanical work through the volumetric expander (evaporator);
- finalement, après que la plupart du CO2 est passé dans le réservoir / condenseur, à travers le détendeur, on refroidi, par le moyen de l’échangeur relié à la source froide,- finally, after most of the CO2 has passed into the tank / condenser, through the expander, it is cooled, by means of the exchanger connected to the cold source,
le reste du gaz pour avoir un condenseur à faible quantité de CO2 (condenseur).the rest of the gas to have a low CO2 condenser (condenser).
Les concentrateurs / évaporateurs / condenseurs communiquent avec le réservoir / condenseur par le bas à travers les électrovannes (11 et 12) et par le haute à travers les électrovannes (13 et 14) en permettant, par le principe des vases communicants, le passage du CO2 liquide dans le concentrateur / évaporateur / condenseur pendant la phase de recharge en CO2 liquide du concentrateur. Par la suite de l’exposé on va désigner chaque fois le concentrateur / évaporateur / condensateur avec le nom de la fonction exercée au moment considéré (concentrateur, évaporateur ou condenseur).The concentrators/evaporators/condensers communicate with the tank/condenser from below through the solenoid valves (11 and 12) and from above through the solenoid valves (13 and 14) allowing, through the principle of communicating vessels, the passage of the Liquid CO2 in the concentrator/evaporator/condenser during the liquid CO2 recharge phase of the concentrator. Subsequently in the presentation we will designate each time the concentrator / evaporator / condenser with the name of the function carried out at the moment considered (concentrator, evaporator or condenser).
Le gaz-coolers (7) permet de refroidir plus rapidement le CO2 à l’état supercritique avant d’entrer dans le condenseur. Le détendeur volumétrique (8) peut être de type quelconque et peut être choisi selon les exigences de chaque machine. Le volant (9) sert à corriger les irrégularités d’énergie mécanique produite pendant le cycle. Enfin on peut utiliser, pour la production d’énergie électrique un alternateur ou une dynamo (10).The gas coolers (7) allow the CO2 to be cooled more quickly to the supercritical state before entering the condenser. The volumetric expander (8) can be of any type and can be chosen according to the requirements of each machine. The flywheel (9) serves to correct irregularities in mechanical energy produced during the cycle. Finally, an alternator or dynamo (10) can be used to produce electrical energy.
Les caractéristiques les plus significatifs de la présente invention sont:The most significant characteristics of the present invention are:
- La possibilité d’avoir des bons rendements à des basses températures du fluide moteur;- The possibility of having good yields at low temperatures of the working fluid;
- L’élimination de la pompe dans le cycle thermodynamique comportant des économies d’énergie utile produite et la réduction de composants mobiles et des coûts de maintenance;- The elimination of the pump in the thermodynamic cycle leading to savings in useful energy produced and the reduction of moving components and maintenance costs;
- L’utilisation de composants disponibles normalement dans le marché;- The use of components normally available on the market;
- Une modularité d’assemblage qui permet d’incrémenter les performances de la machine thermique en ajoutant des modules d’extension;- Assembly modularity which allows the performance of the thermal machine to be increased by adding extension modules;
- Une variété de modes de fonctionnement possibles gérée par l’unité électronique de contrôle.- A variety of possible operating modes managed by the electronic control unit.
Pour atteindre ces objectifs on a utilisé, comme fluide moteur, le dioxyde de carbone soit à l’état supercritique soit à l’état liquide. L’utilisation du dioxyde de carbone permet de travailler à des températures proches des températures ambiantes et avec un écart réduit de températures entre la source à haute température et celle à basse température (à partir d'environ 40-50 degrés). La machine peut atteindre des bonnes performances dans un intervalle de températures proches de la température critique du fluide moteur (31°), en utilisant des densités appropriées.To achieve these objectives, carbon dioxide was used as the driving fluid either in the supercritical state or in the liquid state. The use of carbon dioxide allows working at temperatures close to ambient temperatures and with a reduced temperature difference between the high temperature source and the low temperature source (from around 40-50 degrees). The machine can achieve good performance in a temperature range close to the critical temperature of the working fluid (31°), using appropriate densities.
Avant d'exposer le fonctionnement de la machine, il faut rappeler les caractéristiques du dioxyde de carbone qui sera désigné par la suite CO2. Le CO2 est un gaz incolore, inodore, ininflammable, chimiquement peu réactif et non toxique. La présente invention utilise ce fluide à des températures proches de son point critique (31°C) pour en disposer soit à l'état liquide, soit à l'état supercritique. Il faut aussi rappeler que la basse valeur de la chaleur spécifique du gaz carbonique permet de faire varier sa température plus facilement.Before explaining how the machine works, it is necessary to recall the characteristics of carbon dioxide which will subsequently be designated CO2. CO2 is a colorless, odorless, non-flammable, chemically unreactive and non-toxic gas. The present invention uses this fluid at temperatures close to its critical point (31°C) to dispose of it either in the liquid state or in the supercritical state. It should also be remembered that the low value of the specific heat of carbon dioxide makes it possible to vary its temperature more easily.
Dans un mode de réalisation, non limitatif, représenté dans la
- une source chaude (5) et une source froide (4) ;- a hot source (5) and a cold source (4);
- deux circuits de fluide approprié qui alimentent les échangeurs de chaleur par les sources froide et chaude (17 et 18)- two appropriate fluid circuits which supply the heat exchangers via the cold and hot sources (17 and 18)
- un réservoir / condenseur (1) avec à l’intérieur un échangeur de chaleur (6)- a tank / condenser (1) with a heat exchanger (6) inside
- deux concentrateur / évaporateur / condenseur (2 et 3) avec un échangeur de chaleur (6)- two concentrator / evaporator / condenser (2 and 3) with a heat exchanger (6)
- un gaz-cooler (7)- a gas cooler (7)
- un détendeur volumétrique (8)- a volumetric regulator (8)
- un volant libre (9)- a free steering wheel (9)
- un générateur d’électricité (10)- an electricity generator (10)
- des électrovannes (de 11 à 16) commandées par une unité de contrôle électronique- solenoid valves (from 11 to 16) controlled by an electronic control unit
- deux vannes de sécurité (20) et trois manomètres (19)- two safety valves (20) and three pressure gauges (19)
Pour simplifier l'exposé du fonctionnement de la machine thermique dans cet exemple, et de façon non limitative, pour haute température (H.T.) du fluide moteur (gaz carbonique) on entend environ 70-80 degrés, et pour basse température (B.T.) environ 15-25 dégrées. Dans ces conditions on peut avoir, selon la densité du CO2, des valeurs très importantes de pression du CO2 à haute température et, dans un cycle thermodynamique classique, le passage du condenseur à basse pression à l’évaporateur à haute pression demande une partie importante de travail produit pour le fonctionnement de la pompe. L’élimination de la pompe nous permet dans notre cas de récupérer cette énergie.To simplify the presentation of the operation of the thermal machine in this example, and in a non-limiting manner, for high temperature (H.T.) of the motor fluid (carbon dioxide) we mean approximately 70-80 degrees, and for low temperature (B.T.) approximately 15-25 degrees. Under these conditions we can have, depending on the density of the CO2, very significant values of CO2 pressure at high temperature and, in a classic thermodynamic cycle, the passage from the low pressure condenser to the high pressure evaporator requires a significant part of work produced for the operation of the pump. In our case, eliminating the pump allows us to recover this energy.
Au début du cycle les conditions sont les suivantes:At the start of the cycle the conditions are as follows:
- les électrovannes (11 et 13) sont ouvertes et les électrovannes (12, 14, 15 et 16) sont fermées;- the solenoid valves (11 and 13) are open and the solenoid valves (12, 14, 15 and 16) are closed;
- le réservoir / condenseur (1) est rempli de CO2 de façon que le niveau de la partie liquide supère la hauteur du concentrateur (2);- the tank/condenser (1) is filled with CO2 so that the level of the liquid part exceeds the height of the concentrator (2);
- le concentrateur (2) maintenue à basse température (B.T.) par le moyen de l’échangeur (6) relié à la source froide (4) est complètement rempli de CO2 à l’état liquide par le principe des vases communicants et, étant en communication avec le réservoir / condenseur la pression globale est uniforme;- the concentrator (2) maintained at low temperature (B.T.) by means of the exchanger (6) connected to the cold source (4) is completely filled with CO2 in the liquid state by the principle of communicating vessels and, being in communication with the tank / condenser the overall pressure is uniform;
- le condenseur (3) refroidit et maintenu à basse température (B.T.) par le moyen de l’échangeur (6) relié à la source froide (4) contient seulement du CO2 à l’état de vapeur à basse densité et à basse pression;- the condenser (3) cools and maintained at low temperature (B.T.) by means of the exchanger (6) connected to the cold source (4) contains only CO2 in the vapor state at low density and low pressure ;
Le cycle commence par la fermeture des électrovannes (11 et 13), l’ouverture des vannes (12 et 14) et le réchauffement de l’évaporateur (2) par le moyen de l’échangeur (6) relié à la source chaude (5). La fermeture des vannes détermine une forte augmentation de la densité du CO2 dans le concentrateur. Par l’augmentation de la température dans l’évaporateur (2) la pression du fluide monte et quand elle arrive au valeur de consigne l’unité de contrôle électronique commande l’ouverture de l’électrovannes 15 pour démarrer le détendeur volumétrique. À la sortie du détendeur le CO2 traverse le gaz-cooler (7) où il se refroidit pour passer dans le condenseur (1) et le condenseur (3). La pression exercée par le gaz provenant du détenteur sur la surface du CO2 liquide contenu dans le réservoir (1) facilite le passage de CO2 liquide dans le condenseur (3).The cycle begins with the closing of the solenoid valves (11 and 13), the opening of the valves (12 and 14) and the heating of the evaporator (2) by means of the exchanger (6) connected to the hot source ( 5). Closing the valves causes a sharp increase in the density of CO2 in the concentrator. By increasing the temperature in the evaporator (2) the fluid pressure rises and when it reaches the set value the electronic control unit commands the opening of the solenoid valve 15 to start the volumetric expansion valve. At the outlet of the regulator, the CO2 passes through the gas cooler (7) where it cools to pass into the condenser (1) and the condenser (3). The pressure exerted by the gas coming from the holder on the surface of the liquid CO2 contained in the tank (1) facilitates the passage of liquid CO2 into the condenser (3).
Une fois réduite, dans l’évaporateur (2), la quantité de CO2 nécessaire à obtenir la pression pour produire le travail prévu, l'électrovanne (15) est fermée. Pendant la première série de cycles réalisée par l’évaporateur (2) le condenseur (3) est rempli de CO2 liquide en se transformant d’abord en concentrateur (3) par la fermeture des vannes (12 et 14) et ensuite, après son réchauffement et l’ouverture de la vanne (16), en évaporateur (3) pour la nouvelle série de cycles thermodynamiques. Après la fermeture des vannes (12 et 14), l’ouverture des vannes (11 et 13) et l’inversion de la température (de H.T. à B.T.) dans l’évaporateur (2) déterminera sa transformation en condenseur (2) pour la nouvelle série de cycles thermodynamiques.Once reduced, in the evaporator (2), the quantity of CO2 necessary to obtain the pressure to produce the intended work, the solenoid valve (15) is closed. During the first series of cycles carried out by the evaporator (2) the condenser (3) is filled with liquid CO2 by first transforming into a concentrator (3) by closing the valves (12 and 14) and then, after its heating and opening of the valve (16), in evaporator (3) for the new series of thermodynamic cycles. After closing the valves (12 and 14), opening the valves (11 and 13) and the inversion of the temperature (from H.T. to LV) in the evaporator (2) will determine its transformation into a condenser (2) for the new series of thermodynamic cycles.
Le système décrit a éliminé la nécessité d’une pompe pour le transfert du fluide moteur du condenseur à l’évaporateur. On a une discontinuité de valeurs de pression du gaz carbonique dans l’évaporateur en raison des variations de densité du gaz mais on peut aussi choisir les intervalles de température et de pression selon les besoins. Toutes les différences de valeurs de travail produit dues aux variations des pressions du CO2 créées par les variations de sa densité au long du cycle sont régularisées par un volant (9). Enfin un générateur d’énergie électrique (10) relié au volant transforme l’énergie mécanique produite en énergie électrique.The system described eliminated the need for a pump for transferring the working fluid from the condenser to the evaporator. We have a discontinuity of carbon dioxide pressure values in the evaporator due to variations in gas density but we can also choose the temperature and pressure intervals according to needs. All differences in work product values due to variations in CO2 pressures created by variations in its density throughout the cycle are regularized by a flywheel (9). Finally, an electrical energy generator (10) connected to the steering wheel transforms the mechanical energy produced into electrical energy.
Pour résumer, le fonctionnement de la machine comporte les phases suivantes:To summarize, the operation of the machine involves the following phases:
- une phase initiale d'équilibre: la température du CO2 dans la totalité du circuit fermé est maintenue basse par les échangeurs de chaleur. La densité globale du CO2 dans le circuit doit permettre d'avoir la quantité nécessaire de CO2 en phase liquide. La forme et la disposition des éléments permettent d'avoir dans le concentrateur (1) du CO2 liquide en grande quantité;- an initial equilibrium phase: the temperature of the CO2 in the entire closed circuit is kept low by the heat exchangers. The overall density of CO2 in the circuit must make it possible to have the necessary quantity of CO2 in the liquid phase. The shape and arrangement of the elements make it possible to have large quantities of liquid CO2 in the concentrator (1);
- une phase d’expansion du gaz : le concentrateur (2), contenant du fluide moteur à l'état liquide et à basse température, est isolé du reste du circuit par des électrovannes. Le CO2 à haute densité est réchauffé en déterminant une forte augmentation de sa pression. Une fois la pression nécessaire atteinte, l'ouverture de l'électrovanne (15), positionnée entre l’évaporateur (2) et le détendeur (8) permet au gaz de générer du travail mécanique qui est transformé en énergie électrique par un générateur d’électricité (10);- a gas expansion phase: the concentrator (2), containing working fluid in the liquid state and at low temperature, is isolated from the rest of the circuit by solenoid valves. The high density CO2 is heated causing a sharp increase in its pressure. Once the necessary pressure is reached, the opening of the solenoid valve (15), positioned between the evaporator (2) and the regulator (8) allows the gas to generate mechanical work which is transformed into electrical energy by a generator. electricity (10);
- une phase de condensation du gaz: le gaz sortant du détendeur volumétrique à haute température est transféré, en se refroidissant à travers le gas-cooler (7), au condenseur (3) et au réservoir / condenseur (1). Dans cette phase la pression du CO2 n'augmente pas, mais il y a une transformation de part du CO2 à l'état liquide.- a gas condensation phase: the gas leaving the volumetric expansion valve at high temperature is transferred, while cooling through the gas-cooler (7), to the condenser (3) and to the tank/condenser (1). In this phase the pressure of the CO2 does not increase, but there is a transformation of the CO2 into the liquid state.
- et enfin une phase de retour aux conditions initiales : après la condensation du CO2 dans le réservoir / condenseur (1) et le condenseur (3), la fermeture des vannes (12 et 14) augmente la densité du concentrateur (3) pour revenir ainsi aux conditions de départ pour une nouvelle série de cycles.- and finally a phase of return to initial conditions: after the condensation of the CO2 in the tank / condenser (1) and the condenser (3), closing the valves (12 and 14) increases the density of the concentrator (3) to return thus to the starting conditions for a new series of cycles.
Dans ce moteur thermique le passage du fluide moteur du condenseur froid et à basse pression à l’évaporateur chaud et à haute pression est effectué sans apports d’énergie mécanique (pompe ou compresseur). Les concentrateurs / évaporateurs / condensateurs fonctionnent comme concentrateurs du fluide moteur et comme condenseurs quand ils sont refroidis par l’échangeur relié à la source froide et ils sont en communication avec le conteneur / condenseur par l’ouverture des vannes en bas et en haut qui permettent le transfert du CO2 liquide par le principe des vases communicants. Les concentrateurs / évaporateurs / condensateurs fonctionnent comme évaporateurs du fluide moteur quand ils sont chauffés par l’échangeur relié à la source chaude, ils sont isolés du conteneur par la fermeture des vannes et ils sont en communication avec le détendeur volumétrique par l’ouverture de la vanne.In this heat engine, the passage of the working fluid from the cold, low-pressure condenser to the hot, high-pressure evaporator is carried out without mechanical energy inputs (pump or compressor). The concentrators / evaporators / condensers function as concentrators of the working fluid and as condensers when they are cooled by the exchanger connected to the cold source and they are in communication with the container / condenser by the opening of the valves at the bottom and at the top which allow the transfer of liquid CO2 by the principle of communicating vessels. The concentrators / evaporators / condensers function as evaporators of the working fluid when they are heated by the exchanger connected to the hot source, they are isolated from the container by closing the valves and they are in communication with the volumetric expander by opening the valve. valve.
Le volume du concentrateur / évaporateur / condenseur par rapport au détendeur et la pression minimale de consigne déterminent la durée du cycle d’expansion pour chaque recharge en CO2 liquide. Les ouvertures et les fermetures des électrovannes sont gérées par une unité de contrôle électronique qui permet d’optimiser les performances de la machine en fonction des conditions externes comme les valeurs de la source froide, de la source chaude et des pressions dans l’évaporateur et dans le condenseur. Des vannes de sécurité (20) sont prévues dans les parties soumises à des hautes pressions pendant le fonctionnement du moteur. Les manomètres (19) contrôlent les pressions du CO2 dans le circuit. Le moteur thermique objet de cette invention peut, parmi d'autres utilisations, entraîner un générateur d’énergie électrique (10) pour la production d’énergie électrique. Les combustibles nécessaires à la création de la source chaude peuvent être les plus variés, le moteur étant à combustion externe et à basse température. Des ressources renouvelables, comme l'énergie solaire, la géothermie ou la biomasse, peuvent fournir les calories nécessaires au fluide moteur pour atteindre les températures de travail. La source de chaleur plus intéressante que on peut utiliser pour produire de l’électricité avec la machine thermique objet de cette invention est celle que on a déjà disponible en grande quantité en milieu industriel: la chaleur fatale.The volume of the concentrator/evaporator/condenser relative to the expander and the minimum set pressure determine the duration of the expansion cycle for each liquid CO2 recharge. The openings and closings of the solenoid valves are managed by an electronic control unit which allows the performance of the machine to be optimized depending on external conditions such as the values of the cold source, the hot source and the pressures in the evaporator and in the condenser. Safety valves (20) are provided in the parts subjected to high pressures during engine operation. The pressure gauges (19) control the CO2 pressures in the circuit. The thermal engine which is the subject of this invention can, among other uses, drive an electrical energy generator (10) for the production of electrical energy. The fuels required to create the hot source can be very varied, the engine being external combustion and low temperature. Renewable resources, such as solar energy, geothermal energy or biomass, can provide the calories necessary for the working fluid to reach working temperatures. The most interesting heat source that can be used to produce electricity with the thermal machine which is the subject of this invention is the one that is already available in large quantities in an industrial environment: waste heat.
Comme déjà indiqué une caractéristique importante de cette invention est sa modularité qui, avec la possibilité d’obtenir des résultats différents en fonction des températures utilisées, permet de bien définir le choix du produit et d’évoluer, avec l’intégration de modules spécifiques, vers solutions plus performantes. L’intégration, par exemple, d’un ou plusieurs concentrateurs / évaporateurs / condenseurs dans la machine que nous venons d’exposer permet d’éliminer les temps inactifs entre les séries de cycles ou de travailler à des pressions plus élevées pour les mêmes températures ou encore de travailler à des températures plus basses. Tous ces modes de fonctionnement différents sont gérés par l’unité électronique de contrôle. Avec une intervention sur le logiciel nous pouvons, par exemple, faire travailler la machine dans de conditions différentes de celles initialement prévues. Le mode de réalisation présenté n’est pas limitatif. Sans sortir du cadre de l’invention, de nombreuses variantes technologiques sont possibles, notamment dans les choix des matériaux et des composants les plus adaptés à chaque usage.As already indicated, an important characteristic of this invention is its modularity which, with the possibility of obtaining different results depending on the temperatures used, makes it possible to clearly define the choice of product and to evolve, with the integration of specific modules, towards more efficient solutions. The integration, for example, of one or more concentrators / evaporators / condensers in the machine that we have just exposed makes it possible to eliminate inactive times between series of cycles or to work at higher pressures for the same temperatures or to work at lower temperatures. All these different operating modes are managed by the electronic control unit. With an intervention on the software we can, for example, make the machine work in conditions different from those initially planned. The embodiment presented is not limiting. Without departing from the scope of the invention, numerous technological variants are possible, particularly in the choice of materials and components most suited to each use.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2208444A FR3138938A1 (en) | 2022-08-22 | 2022-08-22 | LOW TEMPERATURE THERMAL MACHINE USING A SUPERCRITICAL CO2 (S-CO2) POWER CYCLE |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2208444 | 2022-08-22 | ||
| FR2208444A FR3138938A1 (en) | 2022-08-22 | 2022-08-22 | LOW TEMPERATURE THERMAL MACHINE USING A SUPERCRITICAL CO2 (S-CO2) POWER CYCLE |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3138938A1 true FR3138938A1 (en) | 2024-02-23 |
Family
ID=84569452
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR2208444A Pending FR3138938A1 (en) | 2022-08-22 | 2022-08-22 | LOW TEMPERATURE THERMAL MACHINE USING A SUPERCRITICAL CO2 (S-CO2) POWER CYCLE |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR3138938A1 (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10126403A1 (en) * | 2000-05-30 | 2001-12-06 | Holder Karl Ludwig | Power station has carbon dioxide circuit, forward line with turbine(s) or piston engine(s), return line with pressure build-up device(s); forward and return lines form closed liquid circuit |
| US20110167825A1 (en) * | 2008-04-01 | 2011-07-14 | Sylvain Mauran | Plant for producing cold, heat and/or work |
| US20210332723A1 (en) * | 2018-10-02 | 2021-10-28 | Entent | Machine for converting residual heat into mechanical energy |
-
2022
- 2022-08-22 FR FR2208444A patent/FR3138938A1/en active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10126403A1 (en) * | 2000-05-30 | 2001-12-06 | Holder Karl Ludwig | Power station has carbon dioxide circuit, forward line with turbine(s) or piston engine(s), return line with pressure build-up device(s); forward and return lines form closed liquid circuit |
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