WO2013001223A1 - Regenerateur de chaleur - Google Patents

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WO2013001223A1
WO2013001223A1 PCT/FR2012/051451 FR2012051451W WO2013001223A1 WO 2013001223 A1 WO2013001223 A1 WO 2013001223A1 FR 2012051451 W FR2012051451 W FR 2012051451W WO 2013001223 A1 WO2013001223 A1 WO 2013001223A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
channel
heat
projections
regenerator
channels
Prior art date
Application number
PCT/FR2012/051451
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English (en)
Inventor
Jacques Ruer
Philippe MUGUERRA
Jean-François FOURMIGUE
Tristan DESRUES
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
Saipem Sa
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to US14/108,859 priority patent/US20140102663A1/en

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D17/00—Regenerative heat-exchange apparatus in which a stationary intermediate heat-transfer medium or body is contacted successively by each heat-exchange medium, e.g. using granular particles
    • F28D17/02—Regenerative heat-exchange apparatus in which a stationary intermediate heat-transfer medium or body is contacted successively by each heat-exchange medium, e.g. using granular particles using rigid bodies, e.g. of porous material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
    • F28F3/04—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being integral with the element
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • the invention relates to a heat regenerator for storing and returning heat.
  • One of the fields of use of the present invention relates in particular to installations for storing electrical or solar energy in the form of heat.
  • regenerators are commonly used to temporarily store heat prior to its use in various applications.
  • heat regenerators include enclosures in which heat can be stored by exchanging calories between a fluid, such as smoke, and the manufacturing material of the constituent elements of the enclosures. These solid structures are traversed by channels in which the smoke can circulate. The section of these channels may vary depending on the nature of the fumes, from a few millimeters to several tens of centimeters. Indeed, in the case of the recovery of the calories carried by the combustion fumes, fumes from fouling processes (glass furnaces, blast furnaces) require channels having a larger section than those from relatively clean processes such as turbines gas.
  • regenerators are generally defined according to the following parameters:
  • This parameter is related to the mass and the physical properties of the material constituting the enclosures or matrices, and to the difference between the hot temperature and the cold operating temperature of the regenerator;
  • the characteristic cycling time related to the thickness of the solid partitions and the channels constituting the matrices
  • the document FR 2 916 101 describes a method of storing electricity implementing the transformation of electrical energy into heat stored in two speakers of the heat regenerator type. It is a thermodynamic cycle of heat pump type in storage, and heat machine type destocking using argon as a fluid. This device causes virtually no pressure drop during the circulation of the fluid and the heat exchange. The operating constraints associated with such an electricity storage installation involve storage / retrieval times of a few hours and rapid response times for the materials. In this device, the fluid passes through the regenerator via channels having a regular section over their entire height. These channels are devoid of projections.
  • the physical properties of the material storing thermal energy It is the product of the density of the material and its specific heat. In general, the optimum properties correspond to relatively expensive materials, the porosity of the material storing the thermal energy, ie the volume left to the fluid within this material.
  • the object of the present invention is part of the last point concerning the improvement of heat exchange. Moreover, the device developed by the Applicant also significantly reduces the size of the heat regenerators.
  • the present invention relates to a heat regenerator that can be implemented in heat storage / de-stocking processes. It makes it possible in particular to reduce the volume of the regenerators while offering the same storage capacity compared to the regenerators of the prior art.
  • the present invention relates to a heat regenerator comprising at least one matrix made of refractory material, for storing and returning heat, said matrix comprising at least one through channel for the circulation of a fluid, said channel comprising at least two protrusions emerging in the volume defined by said channel. Said projections are positioned on two opposite sides of the channel,
  • the refractory material has a density advantageously between 2000 and 10000 kg / m 3 .
  • the at least one channel consists of a succession of repeating units, therefore, the succession of projections in the direction of the fluid flow within the channel is preferentially at a fixed interval.
  • the regenerator according to the invention may comprise a multitude of discretized elements forming bricks and constituting the matrix of refractory material, said bricks being traversed by at least one channel comprising at least one projection emerging in the volume defined by said channel.
  • the regenerator according to the invention may comprise several preferably identical bricks so as to maintain the periodicity of the projections within the channel (s), said bricks being contiguous to each other so as to optimize the density of material without creating spaces.
  • the regenerator may further comprise a stack of bricks.
  • the patterning of the bricks is superimposed so that the channels are aligned with each other so as not to alter the flow of the fluid.
  • the brick may have a square, rectangular, hexagonal or cylindrical section.
  • the bricks are advantageously joined to each other by means that the person skilled in the art can determine without ambiguity.
  • projection it is meant that the channel is not traversing throughout its section over its entire length.
  • the channel thus comprises at least two internal structures that obstruct part of its section and at least part of its height.
  • Said projections are made of a material identical to that of the matrix and therefore of the brick. They are advantageously part of the matrix. In other words, in the brick or matrix, the channel and the projections advantageously form a unitary element.
  • the projection may be of parallelepipedal shape, and in particular one of the dimensions is advantageously identical to the width of the at least one channel of the matrix or brick.
  • the main dimension of the parallelepiped and for example its length, is oriented parallel to the direction of circulation of the fluid and therefore to the main axis of the channel.
  • the projections may also be trapezoidal, the main base of said trapezoid being merged with the side wall of the channel.
  • one of the dimensions of the trapezoid is advantageously identical to the width of the channel.
  • the projections present inside the channels intensify the heat transfer between the matrix and the fluid without significantly altering the circulation of said fluid.
  • a low pressure drop is sought on the entire regenerator.
  • pressure loss is meant the pressure difference between the fluid pressure at the inlet of the regenerator and the fluid pressure at its outlet, and therefore after passing through the matrix.
  • it is the pressure drop after passage of the fluid in the regenerator may include a matrix of several bricks.
  • the projections can create turbulence by disrupting the flow of fluid, and thus intensify the heat transfer. Indeed, in the case of a circulation in a channel devoid of projections, the only way to increase the heat exchange is to reduce the hydraulic diameter of the channel with consequent problems of continuity of the channel over the entire height of the channel. stacking bricks. Thus, the projections of the invention generate high velocity areas, change of direction zones, and recirculation zones occur. The pressure losses intensify as a result of the creation of these turbulences.
  • the volume occupied by the fluid represents 30 to 50% of the total volume of the matrix. This is the void volume of the matrix, with the exception of the pore volume of the refractory material, when the latter comprises pores.
  • the channel or channels may advantageously have a rectangular or square section.
  • the width of the channel is preferably between 4 and 15 millimeters, and its length is preferably between 4 and 15 millimeters.
  • the height of the channel depends on the height of the regenerator and therefore the amount of energy to be stored.
  • the height of the regenerator is between 5 and 50 meters.
  • the height of the matrix and the channel can be between 5 and 50 meters.
  • the channel comprises at least two projections advantageously positioned so as to be offset in the direction of circulation of the fluid and therefore the height of the channel, one of the projections being positioned on a first face of the channel, and the another on a second opposite side of the canal. More preferably, the channel comprises two projections respectively positioned on two opposite faces of the channel and so as to be offset relative to each other, in the general direction of fluid flow within the channel.
  • channel is also meant the channel formed when two bricks are superimposed. The channel is crossing over the entire height of the matrix.
  • the brick or the regenerator comprise at least two channels
  • the latter are substantially parallel.
  • the channels are advantageously separated by an inter-channel distance of between 2 and 15 millimeters, more advantageously still equal to 4 millimeters.
  • the inter-channel distance between the channels of a first brick and the channels of a second brick is preferably from 2 to 15 millimeters , and even more preferably equal to 4 millimeters.
  • the heat regenerator has a single inter-channel distance between the channels of the same brick and between the channels of two different bricks, the bricks being contiguous.
  • the inter-channel distance depends on the storage and retrieval time since the entire thickness of the matrix has to go from the cold temperature to the hot temperature, and vice versa. If the thickness is too large a temperature gradient appears between the surface and the core of the matrix. In this case, the storage capacity decreases, the refractory material can not perform a complete cycle between the two operating temperatures. If the thickness is too small, there is not enough refractory material to store thermal energy.
  • the internal projections extend over the entire width of the channel when it has a square or rectangular section.
  • the projections advantageously extend over a quarter of the perimeter of the section of the channel.
  • the height of the projections advantageously represents from 5 to 50% of the dimension of the channel in which they are directed.
  • the ratio between the height of the projections and the length of the channel is advantageously between 0.05 and 0.5, and more advantageously between 25% and 35%.
  • the distance P between two successive protrusions on the same side of a wall of a channel advantageously represents between one and five times the length of the channel L.
  • the inter-projection distance P is constant over the entire height of the channel passing through the matrix and the regenerator, creating a repeating pattern of channel portion, repeated over the entire height of the matrix and the regenerator. It should also be noted that the inter-projection distance P comprises the length of a protrusion.
  • the regenerator comprises a matrix comprising a plurality of through-channels, each channel being provided with a plurality of projections emanating respectively from a first wall and from the wall opposite the first wall of one channel, each projection being spaced from the next by a fixed distance P so as to form a pattern of projections repeating along the channel, over the height of the regenerator.
  • plurality of channels is meant from 10 to 100,000 channels, in particular from 100 to 10,000 channels.
  • the length of the projections in the direction of flow of the fluid that is to say according to the height of the regenerator, is adjusted to obtain a geometric shape adapted to the manufacturing process, while ensuring a contact surface between the projections and the wall of the channel sufficient to transfer the heat exchanged by conduction. It is advantageously of the order of the width of the channel.
  • the brick and the projections are made of a non-porous refractory material, preferably ceramic based on aluminum or cordierite ceramics.
  • non-porous refractory material advantageously has a zero or almost zero porosity, preferably less than 5%.
  • the present invention also relates to the use of a heat regenerator as described above in a storage and heat recovery installation comprising at least one fluid inlet mouth.
  • the invention also relates to a storage and heat recovery installation comprising at least one heat regenerator as described above. Said heat can be advantageously derived from electrical energy or solar concentrating.
  • At least the side portions and the bottom of the heat regenerator are covered with a layer of thermal insulation.
  • This installation may further comprise a grid interposed between the fluid inlet mouth and the openings of the channels of the heat regenerator. Said grid allows a better distribution of the fluid at the level of the channels.
  • the heat regenerators according to the present invention are implemented in a method of storing electricity in the form of heat using a clean neutral gas and not fouling and corrosive fumes, such as likely to emanate from blast furnaces or glass furnaces.
  • a neutral gas such as argon
  • the heat regenerator which is the subject of the present invention can be produced according to a method of manufacturing the brick as described above, according to the methods known to those skilled in the art of shaping, by casting in a mold or by pressing a basic element. Several bricks can then be assembled to form a heat regenerator.
  • FIG. 1A illustrates a brick comprising four through-channels according to the invention.
  • FIG. 1B illustrates a channel portion passing through a matrix portion of a regenerator according to the invention.
  • FIG. 2A illustrates a portion of a channel according to the present invention, comprising two parallelepiped-shaped internal projections and positioned on two opposite faces of the channel.
  • FIG. 2B also illustrates a portion of a channel according to the present invention, comprising two trapezoidal internal projections and positioned on two opposite faces of the channel.
  • Figure 3 shows a portion of a channel according to a particular embodiment of the present invention, comprising two internal projections.
  • FIG. 4 represents the graph corresponding to the pressure loss observed during the circulation of a fluid in a regenerator of height R according to the invention, as a function of the ratio between the inter-projection distance P of the regenerator and its length (L ), according to Figure 3.
  • FIG. 5 represents the graph obtained by plotting the Nusselt number as a function of the geometry of the channel, and in particular the ratio between the inter-projection distance P of the regenerator and its length (L).
  • FIG. 6 illustrates a heat storage chamber comprising a regenerator according to the invention.
  • Brick 1 made of refractory material shown in FIG. 1A comprises four through-channels 2, parallel to each other. These channels open on both sides at the upper face and the lower face of the brick 1.
  • the channels 2 are characterized by their width b, their length L and their height R. Said channels are spaced apart from each other. inter-channel distance ç in a first direction and a distance ç in a second direction perpendicular to the first direction.
  • the inter-channel distances c and c ' are advantageously identical.
  • brick 1 could comprise only one channel or a plurality of channels without departing from the invention.
  • FIG. 1B is a simplified representation of a portion of the regenerator matrix traversed by a channel.
  • Figures 2A and 2B show schematically in perspective two channels 2 of rectangular section according to the invention.
  • the direction of circulation of the fluid within these channels is represented by arrows.
  • the direction of the arrow indicates either a storage or an extraction.
  • the channel of FIG. 2A comprises two projections 3 of parallelepipedal shape, of the same width as that of the channel 2, but of height h less than its length, so as not to seal it.
  • the lateral faces 7 of the projection 3 define an angle of 90 ° with the wall of the channel with which the projection is in contact or from which it emanates.
  • the longitudinal face 8 of the projection 3 is perpendicular to the lateral faces 7 of said projection and extends in the direction of the height of the channel, that is to say in the direction of the circulation of the fluid.
  • the two projections 3 are substantially identical in shape, but are offset with respect to each other, and moreover emanate from two opposite faces of the channel.
  • the channel of FIG. 2B has two projections 3 of trapezoidal shape.
  • the principle is identical to that of Figure 2 A.
  • the main base of the trapezoid is merged with the side wall of the channel from which the projection 3 emanates.
  • the disturbance of the fluid flow generated by the projections is certainly less than that of the channel of FIG. 2A, but it nevertheless makes it possible to ensure efficient and improved heat transfer compared to the prior art.
  • the channel 2 illustrated in FIG. 3 comprises two projections 3 of cubic shape of height h and width b.
  • the lateral faces 7 of the projections define a right angle with the wall of the channel with which the projection is in contact or from which it emanates.
  • the channel is further characterized by its length L, and P, the distance between two successive projections on the same side.
  • the inter-projection distance P comprises the length of a protrusion.
  • the length of the projection is defined by the length of the face in contact with the channel, according to the direction of flow of the fluid, this direction being represented by an arrow in FIG. 3.
  • the projection 3 of a superimposed channel is shown in dashed lines.
  • FIG. 6 represents a heat storage chamber comprising a heat regenerator according to the invention.
  • the regenerator comprises in particular a set of bricks 1, whose lateral parts, in the direction of the height of the channels, are covered with a layer of thermal insulation 4. This layer of thermal insulation 4 makes it possible to limit the losses of energy towards the outside of the regenerator between the periods of storage and retrieval.
  • This regenerator comprises in the example described 35 channels parallel to each other, and all separated by an inter-channel distance c identical.
  • two fluid inlets 6 allow the fluid to enter and evacuate the enclosure comprising the bricks. After introduction into the chamber, the fluid is distributed in the channels after distribution through a grid 5, positioned between the inlet 6 of the fluid and the bricks 1.
  • the grid 5 has a multitude of through holes ensuring distribution homogeneous fluid.
  • fluid inlet is also meant output or evacuation of the fluid.
  • the heat regenerator according to the present invention advantageously makes it possible to store an amount of electrical energy of between 1 and 100 GW.h -1 for a storage period of between 2 and 6 hours.
  • the quantity of energy restored is from 60 to 70%.
  • regenerators of Examples A and B comprise a stack of bricks contiguous and identical to each other. These bricks include at least one through channel.
  • the channels have the following dimensions:
  • the heat regenerator A (prior art) In the case of an installation of 100 MW of power and 600 MWh of capacity, the heat regenerator A according to the prior art (FR 2 916 101) comprises two enclosures whose volume of the bricks represents 11100 m 3 , and straight channels.
  • the volume defined by the channels is equal to 4900 m 3 , about 44% of the total volume defined by the bricks.
  • the volume defined by the material constituting the speakers is equal to 6200 m 3 , or 56% of the total volume defined by the bricks.
  • the heat regenerator according to the invention comprises two enclosures whose brick volume represents 6900 m 3 , and straight channels comprising protrusions emerging within the volume defined by said channels.
  • the void volume defined by the channels is equal to 2700 m 3 , about 39% of the total volume defined by the bricks.
  • the volume defined by the material constituting the enclosures and projections is equal to 4200 m 3 , or 61% relative to the total volume defined by the bricks.
  • the present invention thus makes it possible to optimize the geometry of the enclosures and in particular to reduce their volume by nearly 38% in this case. These modifications thus make it possible to reduce the quantity of material used and the manufacturing costs. Pressure loss according to the ratio P / L
  • the fluid undergoes a pressure drop ⁇ after circulation through a regenerator according to the invention having a height R of 10 m. Typically, it is accepted that under these conditions, a pressure loss of less than or equal to 0.1 bars remains acceptable.
  • a pressure drop of 0.1 bar for a P / L ratio of 1.70 corresponds to a Nusselt number greater than 13. This value reflects the amplification of the heat exchange due to turbulence created by the projections. Indeed, in the case of a channel of similar dimensions but devoid of projections, the number of Nusselt obtained is equal to 3.4.

Abstract

Ce régénérateur de chaleur comprend au moins une matrice réalisée en un matériau réfractaire pour assurer le stockage et la restitution de chaleur. Cette matrice comprend au moins un canal (2) traversant apte à permettre la circulation d'un fluide, ledit canal comportant au moins deux saillies (3) émergeant dans le volume défini par ledit canal, lesdites saillies étant positionnées sur deux faces opposées du canal,

Description

REGENERATEUR DE CHALEUR
DOMAINE DE L'INVENTION
L'invention concerne un régénérateur de chaleur permettant de stocker et de restituer de la chaleur.
L'un des domaines d'utilisation de la présente invention concerne notamment les installations permettant de stocker de l'énergie électrique ou solaire sous forme de chaleur.
ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE
Le stockage d'importantes quantités d'énergie à court, moyen ou long terme constitue un enjeu majeur faisant l'objet de nombreux travaux relatifs notamment au stockage de l'électricité sous forme d'énergie thermique.
A cet effet, les régénérateurs sont couramment utilisés pour stocker temporairement de la chaleur préalablement à son utilisation dans diverses applications. Typiquement, les régénérateurs de chaleur comprennent des enceintes dans lesquelles la chaleur peut être stockée par échange de calories entre un fluide, comme de la fumée, et le matériau de fabrication des éléments constitutifs des enceintes. Ces structures solides sont traversées par des canaux dans lesquels la fumée peut circuler. La section de ces canaux peut varier en fonction de la nature des fumées, de quelques millimètres à plusieurs dizaines de centimètres. En effet, dans le cas de la récupération des calories véhiculées par les fumées de combustion, les fumées issues de procédés encrassants (fours de verrerie, hauts fourneaux) nécessitent des canaux présentant une section plus importante que celles issues de procédés relativement propres comme les turbines à gaz.
Ces régénérateurs sont généralement définis en fonction des paramètres suivants :
- la capacité maximale de stockage de chaleur. Ce paramètre est lié à la masse et aux propriétés physiques du matériau constituant les enceintes ou matrices, et à la différence entre la température chaude et la température froide de fonctionnement du régénérateur ;
le temps caractéristique de cyclage, lié à l'épaisseur des cloisons solides et des canaux constituant les matrices ;
la performance thermique, c'est à dire le rapport entre la capacité réelle de stockage du régénérateur et la capacité maximale, liée aux performances de transfert thermique entre le fluide et la matrice. Le document FR 2 916 101 décrit un procédé de stockage d'électricité mettant en œuvre la transformation de l'énergie électrique en chaleur stockée dans deux enceintes de type régénérateur de chaleur. Il s'agit d'un cycle thermodynamique de type pompe à chaleur en stockage, et de type machine thermique en déstockage utilisant l'argon comme fluide. Ce dispositif n'entraîne pratiquement pas de perte de charge lors de la circulation du fluide et de l'échange thermique. Les contraintes de fonctionnement liées à une telle installation de stockage d'électricité impliquent des temps de stockage/déstockage de quelques heures et des temps de réponse rapides pour les matériaux. Dans ce dispositif, le fluide traverse le régénérateur via des canaux présentant une section régulière sur toute leur hauteur. Ces canaux sont dépourvus de saillies.
De manière générale, trois paramètres peuvent permettre d'améliorer le rendement d'un régénérateur :
les propriétés physiques du matériau stockant l'énergie thermique. Il s'agit du produit de la masse volumique du matériau et de sa chaleur spécifique. En général, les propriétés optimales correspondent à des matériaux relativement onéreux, la porosité du matériau stockant l'énergie thermique, c'est à dire le volume laissé au fluide au sein de ce matériau.
la performance thermique du matériau stockant l'énergie thermique. Cela permet de favoriser une utilisation optimale de la capacité maximale de stockage du matériau.
L'objet de la présente invention s'inscrit dans le cadre du dernier point concernant l'amélioration des échanges thermiques. Par ailleurs, le dispositif mis au point par le Demandeur permet également de réduire considérablement les dimensions des régénérateurs de chaleur.
EXPOSE DE L'INVENTION
La présente invention concerne un régénérateur de chaleur pouvant être mis en œuvre dans des procédés de stockage/déstockage de chaleur. Elle permet notamment de diminuer le volume des régénérateurs tout en offrant la même capacité de stockage par rapport aux régénérateurs de l'art antérieur.
Plus précisément, la présente invention concerne un régénérateur de chaleur comprenant au moins une matrice réalisée en matériau réfractaire, pour assurer le stockage et la restitution de chaleur, ladite matrice comprenant au moins un canal traversant permettant la circulation d'un fluide, ledit canal comportant au moins deux saillies émergeant dans le volume défini par ledit canal. Lesdites saillies sont positionnées sur deux faces opposées du canal,
De manière générale, le matériau réfractaire présente une masse volumique avantageusement comprise entre 2000 et 10000 kg/m3.
Avantageusement, le au moins un canal est constitué d'une succession de motifs répétitifs, dès lors, la succession des saillies dans la direction de la circulation du fluide au sein du canal se fait préférentiellement_à intervalle fixe. Le régénérateur selon l'invention peut comprendre une multitude d'éléments discrétisés formant des briques et constituant la matrice en matériau réfractaire, lesdites briques étant traversées par au moins un canal comportant au moins une saillie émergeant dans le volume défini par ledit canal. Le régénérateur selon l'invention peut comprendre plusieurs briques de préférence identiques de manière à conserver la périodicité des saillies au sein du/des canal/aux, lesdites briques, étant accolées les unes aux autres de manière à optimiser la densité de matériau sans créer d'espaces. Le régénérateur peut en outre comprendre un empilement de briques. La superposition des motifs des briques est réalisée de manière à ce que les canaux soient alignés les uns par rapport aux autres, afin de ne pas altérer la circulation du fluide. En outre, la brique peut présenter une section carrée, rectangulaire, hexagonale ou cylindrique. Les briques sont avantageusement solidarisées entre elles à l'aide de moyens que l'homme du métier saura déterminer sans ambiguïté. Par saillie, on entend que le canal n'est pas traversant dans toute sa section sur toute sa longueur. Le canal comprend ainsi au moins deux structures internes qui obstruent partie de sa section et au moins sur partie de sa hauteur. Lesdites saillies sont réalisées en un matériau identique à celui de la matrice et donc de la brique. Elles font avantageusement partie intégrante de la matrice. En d'autres termes, dans la brique ou la matrice, le canal et les saillies forment avantageusement un élément unitaire. En effet, il est important que les saillies soient en contact avec la brique stockant la chaleur afin de permettre un transfert thermique des calories reçues par les saillies vers la masse plus importante de la matrice. La saillie peut être de forme parallélépipédique, et dont notamment l'une des dimensions est avantageusement identique à la largeur du au moins un canal de la matrice ou de la brique. De manière avantageuse, la dimension principale du parallélépipède, et par exemple sa longueur, est orientée parallèlement à la direction de circulation du fluide et donc à l'axe principal du canal. Les saillies peuvent également être de forme trapézoïdale, la base principale dudit trapézoïde étant confondue avec la paroi latérale du canal. Là encore, l'une des dimensions du trapézoïde est avantageusement identique à la largeur du canal.
Les saillies présentes à l'intérieur des canaux intensifient les transferts de chaleur entre la matrice et le fluide sans pour autant altérer signifîcativement la circulation dudit fluide. En effet, eu égard à la configuration des canaux et des saillies selon la présente invention, on recherche une perte de charge faible sur l'ensemble du régénérateur. Par perte de charge, on entend la différence de pression entre la pression du fluide à l'entrée du régénérateur et la pression du fluide à sa sortie, et donc après passage dans la matrice. En d'autres termes, il s'agit de la perte de charge après passage du fluide dans le régénérateur pouvant comporter une matrice de plusieurs briques.
Les saillies permettent de créer des turbulences par perturbation de la circulation du fluide, et donc d'intensifier les transferts de chaleur. En effet, dans le cas d'une circulation dans un canal dépourvu de saillies, le seul moyen d'augmenter l'échange thermique consiste à diminuer le diamètre hydraulique du canal avec pour conséquence des problèmes de continuité du canal sur toute la hauteur d'empilement des briques. Ainsi, les saillies de l'invention génèrent des zones à forte vitesse, des zones de changements de direction, et des zones de recirculation apparaissent. Les pertes de pression s'intensifient en conséquence de la création de ces turbulences.
Selon un mode de réalisation préféré, et afin d'optimiser la compacité du régénérateur par rapport à ses performances thermiques, le volume occupé par le fluide représente de 30 à 50 % du volume total de la matrice. Il s'agit du volume de vide de la matrice, à l'exception du volume des pores du matériau réfractaire, lorsque ce dernier comporte des pores.
Lorsque le volume occupé par le fluide est inférieur à 30 %, la masse solide est très importante, elle assure à la matrice une capacité maximale de stockage d'énergie. Cependant, les transferts de chaleur sont plus difficiles et la capacité réelle en fonctionnement est nettement plus faible que cette valeur maximale. Lorsque le volume occupé par le fluide est supérieur à 50 %, la compacité du régénérateur et donc de l'enceinte le contenant est insuffisante, et en tout cas incompatible avec les applications envisagées. Le ou les canaux peuvent avantageusement présenter une section rectangulaire ou carrée. Dans ce cas particulier, la largeur du canal est préférentiellement comprise entre 4 et 15 millimètres, et sa longueur est préférentiellement comprise entre 4 et 15 millimètres. La hauteur du canal dépend de la hauteur du régénérateur et donc de la quantité d'énergie à stocker.
De manière avantageuse, la hauteur du régénérateur est comprise entre 5 et 50 mètres. Par ailleurs, la hauteur de la matrice, et du canal peuvent être comprises entre 5 et 50 mètres. Comme déjà dit, le canal comprend au moins deux saillies avantageusement positionnées de manière à être décalées dans la direction de circulation du fluide et donc de la hauteur du canal, l'une des saillies étant positionnée sur une première face du canal, et l'autre sur une deuxième face opposée du canal. Plus avantageusement encore, le canal comprend deux saillies respectivement positionnées sur deux faces opposées du canal et de manière à être décalée l'une par rapport à l'autre, dans la direction générale d'écoulement du fluide au sein du canal.
Au sens de l'invention, il existe une pluralité de saillies le long d'un canal traversant le régénérateur, avantageusement supérieur à 100.
Par canal, on entend également le canal formé lorsque deux briques sont superposées. Le canal est traversant sur toute la hauteur de la matrice.
Selon un mode de réalisation avantageux, lorsque la brique ou le régénérateur comprennent au moins deux canaux, ces derniers sont sensiblement parallèles. En outre, les canaux sont avantageusement séparés par une distance inter-canaux comprise entre 2 et 15 millimètres, plus avantageusement encore égale à 4 millimètres.
Selon un mode de réalisation particulier, dans le cas où le régénérateur de chaleur comprend au moins deux briques adjacentes, la distance inter-canaux entre les canaux d'une première brique et les canaux d'une deuxième brique est préférentiellement de 2 à 15 millimètres, et encore plus avantageusement égale à 4 millimètres. Dans un mode de réalisation préféré, le régénérateur de chaleur présente une seule et même distance inter-canaux entre les canaux d'une même brique et entre les canaux de deux briques différentes, les briques étant accolées. La distance inter-canaux dépend du temps de stockage et de déstockage étant donné que toute l'épaisseur de la matrice doit passer de la température froide à la température chaude, et inversement. Si l'épaisseur est trop importante un gradient de température apparaît entre la surface et le cœur de la matrice. Dans ce cas, la capacité de stockage diminue, le matériau réfractaire ne pouvant pas effectuer de cycle complet entre les deux températures de fonctionnement. Si l'épaisseur est trop faible il n'y a plus assez de matériau réfractaire pour stocker l'énergie thermique.
Typiquement, les saillies internes s'étendent sur toute la largeur du canal lorsque celui- ci présente une section carrée ou rectangulaire. Dans le cas d'un canal cylindrique, les saillies s'étendent avantageusement sur un quart du périmètre de la section du canal. La hauteur des saillies représente avantageusement de 5 à 50 % de la dimension du canal selon laquelle elles sont dirigées. Le rapport entre la hauteur des saillies et la longueur du canal est avantageusement compris entre 0,05 et 0,5, et plus avantageusement entre 25% et 35%.
Il est à noter que ces deux dimensions ne s'étendent pas le long de la même direction. En outre, dans le régénérateur selon l'invention, la distance P entre deux saillies successives sur un même côté d'une paroi d'un canal représente avantageusement entre une et cinq fois la longueur du canal L. Avantageusement, la distance inter-saillies P est constante sur toute la hauteur du canal traversant la matrice et le régénérateur, créant un motif répétitif de portion de canal, répété sur toute la hauteur de la matrice et du régénérateur. Il est également à noter que la distance inter-saillies P comprend la longueur d'une saillie. Dès lors selon un développement de l'invention, le régénérateur comprend une matrice comprenant une pluralité de canaux traversant, chaque canal étant muni d'une pluralité de saillies émanant respectivement d'une première paroi et de la paroi opposée à la première paroi d'un canal, chaque saillie étant espacée de la suivante par une distance P fixe de manière à former un motif de saillies se répétant le long du canal, sur la hauteur du régénérateur.
Par pluralité de canaux, on entend de 10 à 100000 canaux, en particulier de 100 à 10000 canaux. La longueur des saillies selon la direction de circulation du fluide c'est-à-dire selon la hauteur du régénérateur, est ajustée de manière à obtenir une forme géométrique adaptée au procédé de fabrication, tout en assurant une surface de contact entre les saillies et la paroi du canal suffisante pour transférer la chaleur échangée par conduction. Elle est avantageusement de l'ordre de la largeur du canal.
De manière avantageuse, la brique et les saillies sont réalisées en un matériau réfractaire non poreux, avantageusement en céramique à base de céramique aluminique ou cordiéritique.
En outre, le matériau réfractaire non poreux présente avantageusement une porosité nulle ou quasi nulle, de préférence inférieure à 5 %.
La présente invention concerne également l'utilisation d'un régénérateur de chaleur tel que décrit ci-avant dans une installation de stockage et de restitution de chaleur comprenant au moins une bouche d'arrivée de fluide. En outre, l'invention concerne aussi une installation de stockage et de restitution de chaleur comprenant au moins un régénérateur de chaleur tel que décrit ci-avant. Ladite chaleur peut être avantageusement issue d'énergie électrique ou du solaire à concentration.
Dans un mode de réalisation particulièrement préféré, dans ladite installation de stockage et de restitution de chaleur, au moins les parties latérales et le fond du régénérateur de chaleur sont recouvertes d'une couche d'isolant thermique. Cette installation peut en outre comprendre une grille intercalée entre la bouche d'arrivée de fluide et les ouvertures des canaux du régénérateur de chaleur. Ladite grille permet une meilleure distribution du fluide au niveau des canaux.
Dans un mode de réalisation préférentiel, les régénérateurs de chaleur selon la présente invention sont mis en œuvre dans un procédé de stockage d'électricité sous forme de chaleur faisant intervenir un gaz neutre parfaitement propre et non des fumées encrassantes et corrosives, telles que susceptibles d'émaner des hauts fourneaux ou des fours de verrerie. Ainsi, l'utilisation d'un gaz neutre tel que l'argon en tant que fluide permet de réduire les dimensions des briques du régénérateur de chaleur. En outre, le régénérateur de chaleur objet de la présente invention peut-être réalisé selon un procédé de fabrication de la brique tel que décrit précédemment, selon les méthodes connues de l'homme du métier de mise en forme, par coulage dans un moule ou par pressage d'un élément de base. Plusieurs briques peuvent ensuite être assemblées pour constituer un régénérateur de chaleur.
Dans le cadre de l'invention, l'homme du métier saura adapter les dimensions de la brique et du régénérateur mais aussi les dimensions des canaux et des saillies en fonction de la température du fluide, de la durée de stockage et de la quantité d'énergie à stocker.
DESCRIPTION DES FIGURES
L'invention et les avantages qui en découlent ressortiront mieux des figures et exemples suivants donnés à titre illustratif et en aucun cas de manière limitative.
La figure 1 A illustre une brique comprenant quatre canaux traversants selon l'invention. La figure 1B illustre une portion de canal traversant une portion de matrice d'un régénérateur selon l'invention.
La figure 2A illustre une portion d'un canal selon la présente invention, comprenant deux saillies internes de forme parallélépipédique et positionnées sur deux faces opposées du canal.
La figure 2B illustre également une portion d'un canal selon la présente invention, comprenant deux saillies internes de forme trapézoïdale et positionnées sur deux faces opposées du canal.
La figure 3 représente une portion d'un canal selon un mode de réalisation particulier de la présente invention, comprenant deux saillies internes.
La figure 4 représente le graphe correspondant à la perte de charge observée lors de la circulation d'un fluide dans un régénérateur de hauteur R selon l'invention, en fonction du rapport entre la distance inter-saillies P du régénérateur et sa longueur (L), conformément à la figure 3.
La figure 5 représente le graphe obtenu en reportant le nombre de Nusselt en fonction de la géométrie du canal, et notamment du rapport entre la distance inter-saillies P du régénérateur et sa longueur (L).
La figure 6 illustre une enceinte de stockage de chaleur comprenant un régénérateur selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
La brique 1 en matériau réfractaire représentée sur la figure 1 A comprend quatre canaux traversants 2, parallèles entre eux. Ces canaux débouchent de part et d'autre au niveau de la face supérieure et de la face inférieure de la brique 1. Les canaux 2 sont caractérisés par leur largeur b, leur longueur L et leur hauteur R. Lesdits canaux sont espacés d'une distance inter-canaux ç selon une première direction et une distance ç selon une deuxième direction perpendiculaire à la première. Les distances inter-canaux c et c' sont avantageusement identiques.
Bien entendu, la brique 1 pourrait ne comporter qu'un canal ou une pluralité de canaux sans déroger à l'invention.
La figure 1B représente, de façon simplifiée une portion de la matrice du régénérateur traversée par un canal.
Les figures 2A et 2B représentent schématiquement en perspective deux canaux 2 de section rectangulaire selon l'invention. On a représenté par des flèches la direction de circulation du fluide au sein de ces canaux. Le sens de la flèche indique soit un stockage, soit une extraction.
Le canal de la figure 2A comprend deux saillies 3 de forme parallélépipédique, de même largeur que celle du canal 2, mais de hauteur h inférieure à sa longueur, de manière à ne pas l'obturer. Ainsi, les faces latérales 7 de la saillie 3 définissent un angle de 90° avec la paroi du canal avec laquelle la saillie est en contact ou de laquelle elle émane. La face longitudinale 8 de la saillie 3 est perpendiculaire aux faces latérales 7 de ladite saillie et s'étend dans la direction de la hauteur du canal, c'est-à-dire dans la direction de la circulation du fluide. Les deux saillies 3 sont de forme sensiblement identique, mais sont décalées l'une par rapport à l'autre, et au demeurant émanent de deux faces opposées du canal.
Le canal de la figure 2B présente deux saillies 3 de forme trapézoïdale. Le principe est identique à celui de la figure 2 A. En l'espèce, la base principale du trapézoïde est confondue avec la paroi latérale du canal de laquelle la saillie 3 émane. Dans ce cas particulier, la perturbation de la circulation du fluide engendrée par les saillies est certes moindre que celle du canal de la figure 2A mais elle permet néanmoins d'assurer un transfert de chaleur efficace et amélioré par rapport à l'art antérieur.
Le canal 2 illustré par la figure 3 comprend deux saillies 3 de forme cubique de hauteur h et de largeur b. Les faces latérales 7 des saillies définissent un angle droit avec la paroi du canal avec laquelle la saillie est en contact ou de laquelle elle émane. Le canal est en outre caractérisé par sa longueur L, et P, la distance entre deux saillies successives sur un même côté. Comme illustré par la figure 3, la distance inter-saillies P comprend la longueur d'une saillie. La longueur de la saillie est définie par la longueur de la face en contact avec le canal, selon la direction de circulation du fluide, cette direction étant représentée par une flèche sur la figure 3. En outre, afin de mieux faire apparaître la distance inter-saillies P, la saillie 3 d'un canal superposé est représentée en pointillés.
La figure 6 représente une enceinte de stockage de chaleur comprenant un régénérateur de chaleur selon l'invention. Le régénérateur comprend notamment un ensemble de briques 1, dont les parties latérales, dans la direction de la hauteur des canaux, sont recouvertes d'une couche d'isolant thermique 4. Cette couche d'isolant thermique 4 permet de limiter les pertes d'énergie en direction de l'extérieur du régénérateur entre les périodes de stockage et de déstockage.
Bien que non représentées sur la figure 6 par souci de clarté, les canaux 2 comportent des saillies émergeant au sein du volume défini par lesdits canaux. Ce régénérateur comprend dans l'exemple décrit 35 canaux parallèles entre eux, et tous séparés d'une distance inter-canaux c identique.
En outre, deux entrées 6 de fluide permettent au fluide de pénétrer et d'évacuer l'enceinte comprenant les briques. Après introduction dans l'enceinte, le fluide est réparti dans les canaux après distribution au travers d'une grille 5, positionnée entre l'entrée 6 du fluide et les briques 1. La grille 5 présente une multitude d'orifices traversants assurant une distribution homogène du fluide.
Par entrée de fluide, on entend également sortie ou évacuation du fluide. EXEMPLES DE REALISATION
Le régénérateur de chaleur selon la présente invention permet avantageusement de stocker une quantité d'énergie électrique comprise entre 1 et 100 GW.h"1 pendant une durée de stockage comprise entre 2 et 6 heures. En outre, la quantité d'énergie restituée est de 60 à 70%.
Les régénérateurs des exemples A et B comprennent un empilement de briques accolées et identiques entre elles. Ces briques comprennent au moins un canal traversant.
Les canaux présentent les dimensions suivantes :
hauteur R = 10 mètres ;
largeur b = 6 mm ;
longueur L = 12 mm
- distance inter-canaux c = 4 mm.
hauteur de la saillie h = 3,5mm.
Régénérateur A (art antérieur) Dans le cas d'une installation de 100 MW de puissance et de 600 MWh de capacité, le régénérateur de chaleur A selon l'art antérieur (FR 2 916 101) comprend deux enceintes dont le volume des briques représente 11100 m3, et des canaux droits. Le volume défini par les canaux est égal à 4900 m3, soit environ 44 % par rapport au volume total défini par les briques. Le volume défini par le matériau constituant les enceintes est égal à 6200 m3, soit 56 % par rapport au volume total défini par les briques.
Régénérateur B (invention)
Pour une installation présentant les mêmes caractéristiques, le régénérateur de chaleur selon l'invention comprend deux enceintes dont le volume des briques représente 6900 m3, et des canaux droits comprenant des saillies émergeant au sein du volume défini par lesdits canaux. Le volume de vide défini par les canaux est égal à 2700 m3, soit environ 39 % par rapport au volume total défini par les briques. Le volume défini par le matériau constituant les enceintes et les saillies est égal à 4200 m3, soit 61 % par rapport au volume total défini par les briques. La présente invention permet ainsi d'optimiser la géométrie des enceintes et notamment de réduire leur volume de près de 38 % dans ce cas. Ces modifications permettent ainsi de réduire la quantité de matériau utilisé et les coûts de fabrication. Perte de charge en fonction du rapport P/L
Le fluide subit une perte de charge ΔΡ après circulation à travers un régénérateur selon l'invention présentant une hauteur R de 10 m. Typiquement, il est admis que dans ces conditions, une perte de pression inférieure ou égale à 0,1 bars reste acceptable.
Dans le cadre de l'invention, une perte de charge de 0,1 bar pour un rapport P/L de 1 ,70 correspond à un nombre de Nusselt supérieur à 13. Cette valeur traduit l'amplification de l'échange thermique dû à des turbulences créées par les saillies. En effet, dans le cas d'un canal de dimensions similaires mais dépourvu de saillies, le nombre de Nusselt obtenu est égal à 3,4.

Claims

REVENDICATIONS
Régénérateur de chaleur comprenant au moins une matrice (1) réalisée en un matériau réfractaire pour assurer le stockage et la restitution de chaleur, ladite matrice comprenant au moins un canal (2) traversant apte à permettre la circulation d'un fluide, ledit canal comportant au moins deux saillies (3) émergeant dans le volume défini par ledit canal, lesdites saillies étant positionnées sur deux faces opposées du canal, les au moins deux saillies étant espacées par une distance inter-saillies P comprise entre 1 et 5 fois la longueur du canal.
Régénérateur de chaleur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le volume défini par le au moins un canal représente de 30 à 50 % du volume total de la matrice.
Régénérateur de chaleur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le canal présente une section rectangulaire ou carrée.
Régénérateur de chaleur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la largeur b du canal est comprise entre 4 et 15 millimètres, et en ce que la longueur L du canal est comprise entre 4 et 15 millimètres.
Régénérateur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux canaux sensiblement parallèles et séparés l'un de l'autre par une distance inter-canaux ç_ comprise entre 2 et 15 millimètres, avantageusement égale à 4 millimètres.
Régénérateur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un canal dont la hauteur R est comprise entre 5 et 50 mètres.
Utilisation d'un régénérateur de chaleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 dans une installation de stockage et de restitution de chaleur comprenant au moins une bouche d'arrivée de fluide (6).
Installation de stockage et de restitution d'énergie électrique selon la revendication 7, caractérisée en ce que les faces latérales du régénérateur sont isolées thermiquement. 9. Installation de stockage et de restitution d'énergie électrique selon la revendication 8, caractérisée en ce qu'elle comprend une grille (5) intercalée entre la bouche d'arrivée de fluide (6) et l'ouverture des canaux (2) du régénérateur.
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