WO2010128224A1 - Procédé et équipement de transmission d'énergie mécanique par compression et/ou détente quasi-isotherme d'un gaz - Google Patents
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Abstract
Procédé de transformation de chaleur en travail mécanique ou réciproquement, à l'aide d'un dispositif de compression et/ou de détente quasi-isotherme d'un gaz (5, 20, 30), ledit dispositif comportant (a) au moins un récipient (B1, B2, B3, B4) contenant un fluide hydraulique (6, 21, 31, 303, 311 ) et un gaz (5, 20, 30); (b) un fluide d'échange thermique (10) en contact thermique avec ledit gaz (5, 20, 30) et/ou avec ledit fluide hydraulique (6, 21, 31, 303, 311 ), de manière à pouvoir maintenir la température dudit gaz (5, 20, 30) à un niveau sensiblement constant lors de la compression ou de la détente dudit gaz (5, 20, 30); (c) une source de chaleur ou de froid capable d'échanger de l'énergie thermique avec ledit fluide d'échange thermique (10); (d) un moyen de compression capable de pomper du fluide hydraulique (6, 21, 31, 303, 311 ), et/ou un moyen de détente capable de détendre du fluide hydraulique (6, 21, 31, 303, 311) en générant de l'énergie mécanique; dans lequel procédé (i) on chauffe un fluide thermodynamique (5, 20, 30), (ii) on détend, de manière quasi-isotherme ou adiabatique, ledit fluide thermodynamique dans un moyen de détente (T100, T200), (iii) on refroidit ledit fluide thermodynamique (5, 20, 30), (iv) on comprime de manière quasi-isotherme ledit fluide thermodynamique (5, 20, 30) à l'aide d'un moyen de compression (K200).
Description
Procédé et équipement de transmission d'énergie mécanique par compression et/ou détente quasi-isotherme d'un gaz
Domaine technique
La présente invention se rapporte au domaine des systèmes de la production et de la transmission d'énergie mécanique. Plus particulièrement, elle concerne un système de transmission d'énergie mécanique, comportant au moins une étape de compression ou de détente quasi-isotherme d'un gaz par l'intermédiaire d'un fluide hydraulique.
La présente invention s'applique également à la production d'énergie mécanique à partir d'une source de chaleur à relativement bas niveau thermique, au moyen d'un cycle fermé comportant une étape de détente quasi-isotherme d'un gaz par l'intermédiaire d'un fluide hydraulique. Elle s'applique aussi à un système de production de froid et ou de chaleur, au moyen d'un cycle comportant au moins une étape de compression quasi-isotherme du fluide thermodynamique par l'intermédiaire d'un fluide hydraulique.
Etat de la technique
Les systèmes de compression et détente connus fonctionnent dans des conditions proches de conditions adiabatiques. En opérant dans des conditions proches de conditions isothermes, il est possible de réduire la quantité d'énergie nécessaire pour réaliser une étape de compression. Ainsi, on peut récupérer plus d'énergie mécanique au cours d'une étape de détente.
La solution connue de l'homme de l'art consiste à se rapprocher d'une évolution isotherme en réalisant une série d'étages de compression ou d'étages de détente, séparés par des étages de refroidissement ou de chauffage par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur. Ce type de système présente néanmoins des inconvénients importants. Pour des raisons pratiques, il n'est pas possible en général de multiplier le nombre d'étages. La réalisation d'étages en série entraîne ainsi une augmentation du coût d'investissement et une complication substantielle de l'installation, sans qu'il soit vraiment possible de se rapprocher d'une évolution isotherme autant que cela serait souhaitable. La compression hydro-pneumatique permet également de se rapprocher d'une compression isotherme comme cela est connu des documents US 4,566,860 (Cowan),
US 2003/0039554 (Krasnov), WO 2006/034748 (Linde AG) et du brevet US 4,885,912 (Gibbs & HiII). Ce type de dispositif doit cependant être amélioré pour en augmenter le rendement.
La présente invention se propose de remédier aux inconvénients mentionnés ci- dessus grâce à un système de transmission hydro-pneumatique qui permet d'obtenir un haut rendement énergétique en utilisant un système d'échange de l'énergie thermique produite pendant la phase de compression du gaz et / ou de l'énergie thermique prélevée lors de la phase de détente du gaz.
Objets de l'invention
Un premier objet de l'invention est un procédé de transformation de chaleur en travail mécanique ou réciproquement, à l'aide d'un dispositif de compression et/ou de détente quasi-isotherme d'un gaz, ledit dispositif comportant
(a) au moins un récipient contenant un fluide hydraulique et un gaz ;
(b) un fluide d'échange thermique en contact thermique avec ledit gaz et/ou avec ledit fluide hydraulique, de manière à pouvoir maintenir la température dudit gaz à un niveau sensiblement constant lors de la compression ou de la détente dudit gaz ;
(c) une source de chaleur ou de froid capable d'échanger de l'énergie thermique avec ledit fluide d'échange thermique ;
(d) un moyen de compression capable de pomper du fluide hydraulique, et/ou un moyen de détente capable de détendre du fluide hydraulique en générant de l'énergie mécanique, ledit moyen de compression et ledit moyen de détente pouvant être constitués par un moyen de détente - compression capable d'assurer les deux fonctions, dans lequel procédé (i) on chauffe un fluide thermodynamique,
(ii) on détend, de manière quasi-isotherme ou adiabatique, ledit fluide thermodynamique dans un moyen de détente, (iii) optionnellement, on refroidit ledit fluide thermodynamique, (iv) on comprime de manière quasi-isotherme ledit fluide thermodynamique à l'aide d'un moyen de compression.
Dans certains modes de réalisation du procédé selon l'invention, certaines étapes peuvent être permutées. Dans d'autres modes de réalisation, le procédé est mis en œuvre de manière cyclique.
La compression et/ou la détente peuvent être effectués dans des conditions qυasi- isothermes. Dans ce but, le dispositif peut comprendre un échangeur de chaleur en contact thermique avec ledit gaz et avec ledit fluide d'échange thermique.
Ledit récipient peut être constitué par un ou plusieurs tubes faisant partie d'un échangeur de chaleur, de préférence un échangeur de chaleur à tubes ou à plaques.
Dans un mode de réalisation, ledit fluide d'échange thermique est constitué au moins en partie par ledit fluide hydraulique utilisé pour la compression dudit gaz. Dans un autre mode de réalisation, ledit fluide hydraulique est vaporisable. Dans encore un autre mode de réalisation ledit gaz est un gaz partiellement ou totalement condensable, tel que le CO2 ou un gaz organique.
Le dispositif peut comporter une pluralité de récipients, et de préférence un nombre pair desdits récipients ; ces récipients peuvent être utilisés en décalage de phase.
Le procédé selon l'invention peut comporter la compression d'un gaz à l'aide d'un fluide hydraulique et la détente dudit gaz pour déplacer ledit fluide hydraulique à travers un moyen de détente capable de générer de l'énergie mécanique. Il peut être exécuté de manière cyclique. Le fluide thermodynamique peut être un liquide vaporisable, un gaz, ou encore un gaz partiellement condensé. Dans un mode de réalisation particulier du procédé, ledit moyen de détente et/ou ledit moyen de compression comporte au moins un récipient contenant un fluide hydraulique et du fluide thermodynamique au moins partiellement gazeux, et pour comprimer ou détendre ledit fluide thermodynamique au moins partiellement gazeux contenu dans ledit récipient, on déplace ledit fluide hydraulique en contact avec ledit fluide thermodynamique.
Les étapes (ii) et/ou (iv) peuvent être réalisées à l'aide d'un échangeur de chaleur en contact thermique avec ledit gaz et avec ledit fluide d'échange thermique pour réaliser la compression et/ou la détente dans des conditions quasi-isothermes. L'étape de chauffe (i) et/ou l'étape de refroidissement (iii) peuvent être effectuées dans un échangeur de chaleur.
Ledit moyen de compression peut être une pompe.
Le fluide d'échange thermique peut être constitué au moins en partie par ledit fluide hydraulique utilisé pour la compression dudit gaz.
Le procédé peut faire intervenir une pluralité de récipients, et de préférence un nombre pair desdits récipients ; ces récipients peuvent être utilisés en décalage de phase. Ledit gaz peut être un gaz partiellement ou totalement condensable.
Ladit détente quasi-adiabatique peut être effectuée à travers une turbine.
Figures
Les figures 1 à 9 illustrent des dispositifs utilisables pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention. La figure 1 est un schéma illustrant le principe de base du système de compression quasi- isotherme opérant selon l'invention.
La figure 2 est un schéma d'une première variante du système de la figure 1.
La figure 3 représente une variante de l'agencement de la figure 2.
Les figures 4 et 5 montrent un schéma illustrant des dispositifs de mise en œuvre du système des figures 1 , 2 et 3.
La figure 6 est un schéma illustrant la mise en œuvre du procédé selon l'invention dans le cas d'un cycle moteur opérant avec un fluide thermodynamique condensable.
La figure 7 est un schéma illustrant la mise en œuvre du procédé selon l'invention dans le cas d'un cycle moteur opérant avec un gaz permanent. La figure 8 est un schéma illustrant une variante du système de la figure 6.
La figure 9 illustre un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention, dans lequel une source d'énergie renouvelable représentée par une éolienne fournit de l'énergie électrique à un compresseur quasi-isotherme.
Liste des repères utilisés sur les figures
Description détaillée
On décrit ici en détail certains dispositifs représentés sur les figures qui permettent la mise en œuvre de certains modes de réalisation du procédé selon l'invention.
Dans le dispositif représenté schématiquement sur la figure 1. l'énergie mécanique est transmise à un gaz qui arrive à relativement basse pression par le conduit 3 et repart à relativement haute pression par le conduit 4. Le gaz est comprimé dans une série de récipients B1, B2, B3, B4. Le gaz occupe dans chaque récipient la partie supérieure et se trouve par exemple en 5 dans le récipient B4. Les récipients B1, B2, B3, B4 sont placés dans l'enceinte EC 1 qui contient un fluide d'échange thermique 10, capable d'absorber la chaleur dégagée par la compression du gaz en le maintenant suffisamment isotherme et de la transmettre à un fluide extérieur de refroidissement par l'intermédiaire d'une zone d'échange thermique E1.
Les récipients B1, B2, B3, B4 peuvent être mis en communication alternativement soit avec le gaz à relativement basse pression qui arrive par le conduit 3 au moyen des vannes V21, V22, V23, V24, soit avec le gaz à relativement haute pression qui repart par le conduit 4 au moyen des vannes V11, V12, V13, V14.
Ils peuvent être également mis en communication alternativement, soit avec un fluide hydraulique à relativement haute pression qui arrive par le conduit 2, soit avec un fluide hydraulique à relativement basse pression qui repart par le conduit 1. Le fluide hydraulique occupe la partie inférieure dans les récipients B1, B2, B3, B4 et se trouve par exemple en 6 dans le récipient B1.
Le fluide hydraulique est de préférence constitué par une phase aqueuse, de l'eau ou de l'eau glycolée pour éviter les risques de gel. Il peut également s'agir d'un fluide organique, tel qu'une huile. De manière générale, toute phase liquide peut convenir.
Le gaz peut être constitué par un gaz permanent tel que l'air ou l'azote. Il peut aussi être constitué par un autre gaz tel que le CO∑ ou un fluide organique. En particulier, il peut s'agir d'un fluide qui est à l'état gazeux (ou vapeur), mais qui peut changer de phase et devenir liquide. Avantageusement, la phase condensée dudit gaz peut être utilisée comme fluide hydraulique.
Au cours d'une première phase, le gaz à relativement basse pression est admis dans au moins une partie des récipients, par exemple les récipients B1 et B3, les vannes V21, V23 ainsi que les vannes V31 et V33 étant ouvertes de manière à mettre les récipients B1 et B3 en communication avec le fluide hydraulique à relativement basse pression, tandis que les vannes V22, V24 ainsi que les vannes V32 et V34 sont fermées. Simultanément le gaz contenu dans les récipients B2 et B4 est comprimé, les vannes V12
et V14 étant fermées, tandis que les vannes V42 et V44 sont ouvertes de manière à mettre les récipients B2 et B4 en communication avec le fluide hydraulique à relativement haute pression. Au cours de cette étape, la chaleur dégagée par la compression du gaz contenu dans les récipients B2 et B4 est transférée au fluide 10. Le gaz reste donc sensiblement isotherme. Lorsque le niveau du fluide hydraulique contenu dans les récipients B2 et B4 est tel que la pression a atteint le niveau relativement élevé qui permet de l'évacuer par le conduit 4, les vannes V42 et V44 sont fermées et les vannes V12 et V14 sont ouvertes de manière à évacuer le gaz comprimé. A la fin de cette première phase, les récipients B1 et B3 sont remplis de gaz à relativement basse pression et les récipients B2 et B4 de fluide hydraulique à relativement haute pression.
Au cours d'une deuxième phase les positions des vannes sont permutées. Les récipients B2 et B4 sont mis en communication avec le gaz et le fluide hydraulique à relativement basse pression, tandis que les récipients B1 et B3 sont mis en communication avec le gaz et le fluide hydraulique à relativement haute pression. Les différentes vannes qui figurent sur le schéma de la figure 1 peuvent être remplacées par tout autre moyen de communication tel que soupapes ou clapets, permettant de mettre chacun des récipients en contact alternativement avec un fluide à relativement basse pression puis avec un fluide à relativement haute pression.
Le nombre de récipients tels que B1, B2, B3, B4 peut être quelconque, mais il est de préférence pair pour que le rôle de chacun des récipients puisse être permuté.
Les récipients tels que B1, B2, B3, B4 en nombre quelconque peuvent également être utilisés en décalage de phase permettant ainsi l'utilisation d'un gaz basse pression de façon quasi-continue et la production d'un gaz haute pression de façon quasi-continue. Il est ainsi possible de maintenir la température du gaz sensiblement constante au cours de la compression et ainsi de réduire l'énergie nécessaire pour assurer la compression sans avoir à multiplier le nombre d'étapes ; on dit que ce sont des « conditions quasi-isothermes ». En revanche, dans l'autre cas extrême d'une compression sensiblement adiabatique, le gaz s'échauffe au cours de la compression de manière significative, et l'énergie mécanique de compression est accrue de cette quantité de chaleur.
Il est ainsi possible de comprimer différents gaz. Le procédé selon l'invention peut ainsi s'appliquer par exemple à la compression d'un gaz naturel pour l'amener à une pression permettant son évacuation par gazoduc. Il peut également s'appliquer par exemple à la compression de dioxyde de carbone pour injecter ce dioxyde de carbone dans le sous-sol, afin d'assurer un stockage géologique souterrain. Le procédé est
applicable dans une large gamme de pression. Ainsi la pression relativement haute peut être comprise par exemple entre quelques bars et quelques centaines de bars.
La même disposition peut être utilisée pour assurer la détente quasi-isotherme d'un gaz. Dans ce cas, le gaz à relativement haute pression arrive par le conduit 4 et le gaz à relativement basse pression est évacué par le conduit 3. Chaque récipient est rempli au cours d'une première phase de gaz sous pression arrivant par le conduit 4. Au cours d'une seconde phase, le gaz est détendu et évacué par le conduit 3.
Le procédé est applicable à la compression et à la détente d'un fluide partiellement ou totalement condensable. Dans ce cas, il est possible d'utiliser une partie de la phase liquide obtenue comme fluide hydraulique pour comprimer la phase gazeuse (ou « vapeur »).
Ainsi par exemple, si on réalise une opération d'oxy-combustion, on peut obtenir des gaz de combustion concentrés en dioxyde de carbone. En comprimant et en refroidissant les gaz de combustion ainsi obtenus, on peut obtenir une phase liquide riche en dioxyde de carbone et une phase gazeuse dans laquelle est concentrée la fraction d'inertes contenus dans les gaz de combustion. Il est possible dans ce cas d'utiliser la fraction liquide riche en dioxyde de carbone comme fluide hydraulique pour poursuivre la compression et le fractionnement des gaz de combustion.
De la même façon, dans le cas d'un gaz naturel, il est possible en comprimant et en refroidissant le gaz naturel d'obtenir une fraction liquide enrichie en constituants plus lourds que le méthane et une fraction gazeuse enrichie en méthane. Il est possible dans un tel cas d'utiliser la fraction liquide ainsi obtenue comme fluide hydraulique pour poursuivre la compression et le fractionnement du gaz naturel.
Dans une variante du procédé, le fluide d'échange thermique 10 est constitué au moins en partie par le fluide hydraulique 6 utilisé pour la compression du gaz 5.
La figure 2 présente un exemple de dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon l'invention dans le cas de deux récipients B1 et B2. Ce cas a été choisi pour simplifier la représentation, mais une telle mise en œuvre peut être étendue à un nombre quelconque de récipients. Dans le récipient B1, le gaz situé en 30 est déplacé par le fluide hydraulique en 31. Dans le récipient B2, le gaz en 20 est déplacé par le fluide hydraulique en 32. Le fluide hydraulique à relativement haute pression est contenu dans une enceinte BS1, tandis que le fluide hydraulique à relativement basse pression est contenu dans une enceinte BS2. La pompe hydraulique KT1 permet de maintenir une pression suffisamment élevée dans l'enceinte BS1, tandis que la vanne VL1 permet d'éviter une accumulation excessive de fluide hydraulique dans l'enceinte BS1.
La figure 3 représente un mode de réalisation qui diffère par le fait que le fluide hydraulique est contenu dans une seule enceinte à relativement basse pression BS1. La pompe hydraulique KT1 envoie le fluide hydraulique alternativement vers le récipient B1 ou le récipient B2 à travers la vanne triple V312. La figure 4 montre un exemple de réalisation des récipients B1, B2, B3, B4 sous forme de bobine en spirale. L'utilisation d'un tube rend plus facile la réalisation des récipients sous pression et permet de réaliser dans de bonnes conditions les échanges thermiques. La bobine en spirale TS1 peut être mise en communication avec l'arrivée et le départ du gaz par l'intermédiaire de l'extrémité 40 du conduit en spirale et en communication avec l'arrivée et le départ du fluide hydraulique par l'intermédiaire de l'extrémité 41 du conduit en spirale. Toute autre disposition peut être utilisée, à condition toutefois de favoriser les échanges entre les récipients B1, B2, B3, B4 et le fluide de refroidissement 10 contenu dans l'enceinte EC1. Les récipients B1, B2, B3, B4 peuvent être ainsi formés par des tubes ou par des plaques, ou tout autre élément de surface délimitant un volume fermé. Les surfaces peuvent être recouvertes d'ailettes ou être ondulées pour favoriser les transferts thermiques.
La figure 5 montre un exemple d'un échangeur à plaques TS2. Un échangeur à plaques permet de développer une surface d'échange importante entre deux milieux thermiques dans un volume restreint. Un tel échangeur peut être typiquement constitué d'un empilement constitué d'une pluralité de plaques planes 72 et d'une pluralité de plaques ondulées 73, 74, qui forment ainsi deux réseaux de canaux tubulaires 70, 71. Dans chacun desdits réseaux de canaux peut circuler un fluide. L'un des fluides est le fluide hydraulique 6 avec le gaz 5, et l'autre fluide est le fluide d'échange thermique 10. Ce type d'échangeur peut être utilisé dans toutes les variantes du procédé selon l'invention. De manière avantageuse, on utilise une configuration à flux croisée ou à contre-courant. La variante à flux croisée est montrée sur la figure 5, sur laquelle les canaux 70, 71 formés par deux plaques ondulées 73, 74 voisines sont tournés de 90°.
Le procédé selon l'invention peut être également utilisé pour réaliser un cycle thermodynamique comportant au moins une étape de compression ou de détente quasi- isotherme. Un tel cycle peut être fermé, c'est-à-dire que dans ce cas il opère en utilisant un fluide thermodynamique qui circule en boucle. Il peut être également ouvert, opérant par exemple avec de l'air qui est prélevé sur l'atmosphère et qui est ensuite restitué à l'atmosphère. Le terme « fluide thermodynamique » désigne ici un fluide qui peut être dans un état liquide ou gazeux (gaz condensable ou liquide vaporisable) à différents endroits du cycle.
On peut dans ce cas utiliser un cycle à vaporisation et condensation tel que celui qui est schématisé sur la figure 6. qui représente un dispositif pour un mode de réalisation typique du procédé selon l'invention. Le fluide thermodynamique peut être par exemple un fluide organique, tel qu'un hydrocarbure léger comme le butane ou le pentane. Le procédé selon l'invention est particulièrement intéressant à utiliser pour valoriser de la chaleur à relativement bas niveau thermique, disponible par exemple au dessous de 1000C ou 1500C. En effet, il permet alors de transformer cette chaleur à relativement bas niveau thermique en énergie mécanique et / ou électrique avec un rendement sensiblement accru. Le fluide thermodynamique est vaporisé à relativement haute pression et relativement haute température dans l'échangeur E101, dans lequel il est réchauffé (étape (i) du procédé) par un fluide relativement chaud qui arrive par le conduit 100 et repart par le conduit 101. Il repart en phase gazeuse de l'échangeur E101 par le conduit 104, à relativement haute pression. Il est alors détendu de manière quasi-isotherme (étape (ii) du procédé) dans le dispositif T100, qui opère dans des conditions similaires à celles qui sont décrites dans les exemples en relation avec les figures 1 , 2 et 3. Le gaz à relativement haute pression arrivant par le conduit 104 constitué par la phase vapeur du fluide thermodynamique est mis alternativement en relation avec une première série de récipients, puis avec une deuxième série de récipients. Le dispositif T100 peut être également mis en communication par l'intermédiaire du conduit 108 avec le fluide hydraulique à relativement haute pression qui est contenu dans l'enceinte BS101 et par l'intermédiaire du conduit 109 avec le fluide à relativement basse pression qui est contenu dans l'enceinte BS102. Après détente, le gaz à relativement basse pression constitué par la phase vapeur du fluide thermodynamique est refroidi (étape (iii) du procédé) et condensé dans l'échangeur E102, dans lequel il est refroidi par un fluide de refroidissement externe, qui arrive par le conduit 102 et repart par le conduit 103. Après condensation, le fluide thermodynamique est recueilli dans le récipient de stockage B102, d'où il ressort par le conduit 109. Il est alors renvoyé au moyen de la pompe P101 par le conduit 107 vers l'échangeur E101 (étape (iv) du procédé). II est également possible de réaliser un cycle opérant dans des conditions similaires, mais fonctionnant en cycle de réfrigération ou en pompe chaleur. Dans un tel cas, le fluide thermodynamique est vaporisé à relativement basse pression et relativement basse température, comprimé de manière quasi isotherme par l'intermédiaire d'un fluide hydraulique et condensé à relativement haute pression et relativement haute température.
Le fluide thermodynamique peut être également constitué par un gaz permanent tel que l'air ou l'azote extrait de l'air. On peut dans ce cas utiliser un cycle à compression et détente tel que celui qui est schématisé sur la figure 7. qui représente un autre dispositif permettant un mode de réalisation typique du procédé selon l'invention. Le fluide thermodynamique est dans ce cas chauffé (étape (i) du procédé selon l'invention) à relativement haute pression dans l'échangeur E201 par un fluide extérieur relativement chaud qui arrive par le conduit 204 et repart par le conduit 205. Il repart en phase gazeuse de l'échangeur E201 par le conduit 201 à relativement haute pression. Il est alors détendu de manière quasi-isotherme (étape (ii) du procédé selon l'invention) dans le dispositif T200, qui opère dans des conditions similaires à celles qui sont décrites dans les exemples décrits en relation avec les figures 1 , 2 et 3. Le gaz à relativement haute pression arrivant par le conduit 201 est mis alternativement en relation avec une première série de récipients, puis avec une deuxième série de récipients. Le dispositif T200 peut être également mis en communication par l'intermédiaire du conduit 208 avec le fluide hydraulique à relativement haute pression et par l'intermédiaire du conduit 209 avec le fluide à relativement basse pression. Après détente, le gaz à relativement basse pression est refroidi (étape (iii) du procédé selon l'invention) dans l'échangeur E202 par un fluide de refroidissement externe, qui arrive par le conduit 207 et repart par le conduit 206. A la sortie de l'échangeur E202, le fluide thermodynamique repart par le conduit 203. II est alors comprimé de manière quasi-isotherme dans le dispositif K200 ; c'est l'étape (iv) du procédé selon l'invention.
Le dispositif K200 opère dans des conditions similaires à celles qui sont décrites dans les exemples en relation avec les figures 1 , 2 et 3. Le gaz à relativement basse pression arrivant par le conduit 203 est mis alternativement en relation avec une première série de récipients, puis avec une deuxième série de récipients. Le dispositif K200 peut être également mis en communication par l'intermédiaire du conduit 210 avec le fluide hydraulique à relativement haute pression et par l'intermédiaire du conduit 211 avec le fluide à relativement basse pression.
Après compression, le fluide thermodynamique est recyclé par le conduit 200 à l'échangeur E201.
Il est également possible de réaliser un cycle opérant dans des conditions similaires, mais fonctionnant en cycle de réfrigération ou en pompe à chaleur. Dans un tel cas, le fluide thermodynamique est chauffé à relativement basse pression et relativement basse température, comprimé de manière quasi isotherme par l'intermédiaire d'un fluide hydraulique, détendu de manière quasi-isotherme par l'intermédiaire d'un fluide hydraulique et refroidi à relativement haute pression et relativement haute température.
La figure 8 présente une variante de mise en œuvre de l'invention pour la production d'énergie mécanique à partir d'une source de chaleur à basse température. Les ballons B301, B302 contiennent un fluide hydraulique 303, 311, un fluide vaporisable 302, 310 non miscible avec le fluide hydraulique et la vapeur de ce fluide vaporisable 301, 309. Les ballons B301, B302 fonctionnent alternativement en phase d'évaporation et de condensation des fluides 302, 310.
En phase d'évaporation du fluide 302, la source de chaleur est constituée par un gaz ou un liquide parcourant le conduit 300. La pression est maintenue constante dans le ballon B301 en évacuant le fluide hydraulique 303 par la ligne 304 et la vanne V301 vers l'équipement de détente KT1. La détente du fluide hydraulique 303 produit une énergie mécanique W, éventuellement convertie en énergie électrique. L'échangeur E300 refroidit le fluide hydraulique avant injection dans le ballon B302 par la ligne 305, la vanne V302 et la ligne 307. Le fluide hydraulique permet la condensation de la vapeur 309 notamment grâce au dispositif de mise en contact gaz-liquide C302. Ce dispositif peut être constitué d'un garnissage structuré ou non, ou d'un système de plateaux perforés.
Lorsque le fluide 302 est totalement vaporisé, le système passe en phase de condensation dans le ballon B301 et en phase d'évaporation dans le ballon B302. La source de chaleur est constituée par un gaz ou un liquide parcourant le conduit 308. La pression augmente progressivement dans le ballon B302 puis elle est maintenue constante en évacuant le fluide hydraulique 311 par la ligne 312 et la vanne V301 vers l'équipement de détente KT1. L'échangeur E300 refroidit le fluide hydraulique avant injection dans le ballon B301 par la ligne 305, la vanne V302 et la ligne 306. Le fluide hydraulique permet la condensation de la vapeur 301 notamment grâce au dispositif de mise en contact gaz-liquide C301. La figure 9 montre encore un autre mode de réalisation du procédé selon l'invention, dans lequel certaines étapes sont permutées. Le dispositif K400 opère dans des conditions similaires à celles qui sont décrites dans les exemples en relation avec les figures 1 , 2 et 3. Un gaz à relativement basse pression (par exemple de l'air à pression atmosphérique) arrivant par la ligne 401 est comprimé de manière quasi-isotherme par le dispositif K400 en utilisant comme source d'énergie l'électricité générée par une éolienne 409. Le gaz à relativement haute pression est envoyé par la ligne 402 dans l'échangeur E401 pour être chauffé par des fumées de combustion arrivant par le conduit 406. Ces fumées de combustion sont générées par une turbine à gaz 410 alimentée en air par le conduit 408 et en gaz naturel par le conduit 405. Cette turbine à gaz 410 peut opérer en cycle simple ou en cycle combiné. Dans le schéma de la figure 9 la turbine à gaz opère
en cycle simple. Les fumées chaudes arrivant par le conduit 406 sont refroidies dans l'échangeur E401 puis évacuées à l'atmosphère par le conduit 407.
Le gaz à relativement haute pression et haute température sortant de l'échangeur E401 par le conduit 403 est ensuite détendu de manière proche de l'adiabatique par le dispositif T400 qui peut être une turbine de détente. Le dispositif T400 génère dans cet exemple un surplus d'électricité par rapport à la consommation du dispositif K400. De façon avantageuse, l'électricité utilisée par le dispositif K400 peut être fournie par la turbine à gaz 410 en cas d'arrêt de l'éolienne 409.
Dans le mode de réalisation de la figure 9, l'éolienne 409 peut être remplacée par une turbine à eau ou un autre dispositif de production d'énergie électrique renouvelable.
Il peut également être utilisé un stockage d'air comprimé pour lisser les productions intermittentes du dispositif de production d'énergie électrique renouvelable. La présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus mais englobe toutes variantes et tous équivalents.
Claims
1. Procédé de transformation de chaleur en travail mécanique ou réciproquement, à l'aide d'un dispositif de compression et/ou de détente quasi-isotherme d'un gaz (5, 20, 30), ledit dispositif comportant
(a) au moins un récipient (B1 , B2, B3, B4) contenant un fluide hydraulique (6, 21 , 31 , 303, 311 ) et un gaz (5, 20, 30) ;
(b) un fluide d'échange thermique (10) en contact thermique avec ledit gaz (5, 20, 30) et/ou avec ledit fluide hydraulique (6, 21 , 31 , 303, 311 ), de manière à pouvoir maintenir la température dudit gaz (5, 20, 30) à un niveau sensiblement constant lors de la compression ou de la détente dudit gaz (5, 20, 30) ;
(c) une source de chaleur ou de froid capable d'échanger de l'énergie thermique avec ledit fluide d'échange thermique (10) ; (d) un moyen de compression capable de pomper du fluide hydraulique (6, 21 ,
31 , 303, 311 ), et/ou un moyen de détente capable de détendre du fluide hydraulique (6, 21, 31, 303, 311) en générant de l'énergie mécanique ; dans lequel procédé
(i) on chauffe un fluide thermodynamique (5, 20, 30), (ii) on détend, de manière quasi-isotherme ou adiabatique, ledit fluide thermodynamique dans un moyen de détente (T100, T200), (iii) optionnellement, on refroidit ledit fluide thermodynamique (5, 20, 30), (iv) on comprime de manière quasi-isotherme ledit fluide thermodynamique (5, 20, 30) à l'aide d'un moyen de compression (K200).
2. Procédé selon la revendication 1 , dans lequel l'étape de détente est effectuée de manière quasi-isotherme.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte la compression d'un gaz (5, 20, 30) à l'aide d'un fluide hydraulique (6, 21 , 31 , 303, 311) et la détente dudit gaz (5, 20, 30) pour déplacer ledit fluide hydraulique (6, 21 , 31 , 303, 311) à travers un moyen de détente capable de générer de l'énergie mécanique.
4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il est exécuté de manière cyclique.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit fluide hydraulique (6, 21, 31 , 303, 311 ) est vaporisable.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit moyen de compression est une pompe.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit moyen de détente et/ou ledit moyen de compression comporte au moins un récipient (B1 , B2, B3, B4) contenant un fluide hydraulique (6, 21 , 31 , 303, 311 ) et du fluide thermodynamique au moins partiellement gazeux (5, 20, 30), et dans lequel procédé, pour comprimer ou détendre ledit fluide thermodynamique au moins partiellement gazeux (5, 20, 30) contenu dans ledit récipient (B1 , B2, B3,
B4), on déplace ledit fluide hydraulique (6, 21 , 31 303, 311) en contact avec ledit fluide thermodynamique (5, 20, 30).
8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel les étapes (ii) et/ou (iv) sont réalisés à l'aide d'un échangeur de chaleur en contact thermique avec ledit gaz (5, 20, 30) et avec ledit fluide d'échange thermique (10) pour réaliser la compression et/ou la détente dans des conditions quasi-isothermes.
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'étape de chauffe (i) et/ou l'étape de refroidissement (iii) est effectué dans un échangeur de chaleur (E101 , E102, 201 , E202).
10. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que ledit fluide d'échange thermique (10) est constitué au moins en partie par ledit fluide hydraulique (6, 21, 31, 303, 311 ) utilisé pour la compression dudit gaz (5, 20,
30).
11. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit récipient (B1 , B2, B3, B4) est constitué par un ou plusieurs tubes faisant partie d'un échangeur de chaleur, de préférence un échangeur de chaleur à tubes (TS1 ) ou à plaques (TS2).
12. Procédé selon la revendication 11 , caractérisé en ce qu'il utilise une pluralité de récipients (B1 , B2, B3, B4), et de préférence un nombre pair desdits récipients.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que ledit gaz (5, 20, 30) est un gaz partiellement ou totalement condensable.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 13, dans lequel lesdits récipients (B1 , B2, B3, B4) sont utilisés en décalage de phase.
15. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 3 à 14, dans lequel ladite détente quasi-adiabatique est effectuée en détendant ledit gaz (5, 20, 30) à travers une turbine (T400).
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