WO2015062782A1 - Procede d'une conversion d'une energie thermique en energie mecanique au moyen d'un cycle de rankine equipe d'une pompe a chaleur - Google Patents

Procede d'une conversion d'une energie thermique en energie mecanique au moyen d'un cycle de rankine equipe d'une pompe a chaleur Download PDF

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rankine cycle
heat
circuit
mixer
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    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the present invention relates to the field of the conversion of thermal energy into mechanical energy, in particular for the conversion of the thermal energy of the sea (ETM).
  • a particular application of the present invention is in the field of the Thermal Energy of the Sea (ETM or OTEC for Ocean Thermal Energy Conversion) which relates to the use of an energy obtained by taking advantage of the temperature difference existing in the tropical and subtropical regions between surface and deep sea waters, in particular of the order of 1000 m.
  • Surface water is used for the hot spring and deep water for the cold source of a motor thermodynamic cycle. Since the temperature difference between the hot source and the cold source is relatively small, the expected energy yields are also low.
  • FIG. 1 represents a basic diagram of an ETM plant operating with a Rankine cycle and comprising an exchanger 1 as a hot source SC (surface seawater) and a secondary heat source 2.
  • the secondary heat source allows to improve the thermodynamic cycle.
  • the system comprises an exchanger 5 as a cold source SF from the cold seawater taken at depth.
  • the motor fluid circuit in the present example of ammonia, comprises a pump 6 and a turbine 3 driving a generator 4 for conversion into electrical energy.
  • the patent application FR 2981 129 also presents a variant of this cycle with a heat pump as a secondary heat source for overheating the working fluid.
  • a heat pump allows in particular an increase in the net power generated by the system.
  • a heat pump (heat pump) is a thermodynamic device for transferring heat from a colder medium or at the same temperature (and thus to cool it) to a warmer medium or at the same temperature (and therefore to heat it) , whereas, naturally, the heat is diffused from the warmest towards the coldest until the equality of the temperatures.
  • the Rankine cycle adds several equipment for the heat pump: a heat source exchanger - working fluid, a compressor, an exchanger between the working fluid of the heat pump and the working fluid of the heat cycle.
  • FIG. 2 illustrates an example of an ETM plant operating with a Rankine cycle equipped with a heat pump.
  • the circuit of the Rankine cycle is identical to the previous one: it comprises an exchanger 1, a turbine 3, an exchanger 5 and a pump 6, the secondary heat source 2 is constituted by a heat pump.
  • the heat pump comprises a heat exchanger 10 with the heat source of heat, a compressor 7, a heat exchanger 8 with the working fluid of the Rankine cycle and a valve 9.
  • the heat exchanger 10 is subjected to the corrosion and can be fouled by bio-fouling (inlay on a solid matter immersed in an aquatic environment made up of living beings or due to aquatic living beings: bacteria, protists, plants and animals). This equipment therefore requires significant maintenance.
  • the invention relates to a method and a system for converting thermal energy into mechanical energy by means of a Rankine cycle equipped with a heat pump, in which the heat pump is integrated into the Rankine cycle.
  • a heat pump is integrated into the Rankine cycle.
  • the invention relates to a method for converting thermal energy into mechanical energy in which a working fluid is circulated in a closed circuit comprising a circuit according to a Rankine cycle equipped with a heat pump for heating said working fluid. vaporized in said Rankine cycle circuit. For the process, circulating fluid in said circuit of the Rankine cycle is circulated in the circuit of said heat pump.
  • said vaporized working fluid is separated into two portions, a first portion intended for conversion into mechanical energy by said circuit of the Rankine cycle and a second portion intended for said heat pump.
  • said first portion is mixed after the step of conversion into mechanical energy in said Rankine cycle circuit with at least a portion of said second portion.
  • said second portion upstream of the reforming step of a portion of said working fluid, said second portion is separated into a liquid phase and a gaseous phase, said gaseous phase is mixed with said second portion. portion with said first portion during the step of partially reforming the working fluid, and mixing said liquid phase of said second portion with the condensed working fluid.
  • said partially reformed working fluid is separated into a liquid phase and a gaseous phase, said gaseous phase of said working fluid is condensed during the condensation step, and said liquid phase of said working fluid is mixed with the fluid. condensed work.
  • said heat sources consist of seawater taken at different depths.
  • said working fluid comprises ammonia.
  • the invention relates to a system for converting thermal energy into mechanical energy comprising a closed circuit in which circulates a working fluid, said closed circuit comprising a circuit of a Rankine cycle equipped with a heat pump. for heating said vaporized working fluid in the Rankine cycle circuit.
  • the working fluid of the Rankine cycle circuit circulates in the circuit of said heat pump.
  • said closed circuit comprises a first separator of said working fluid in two portions, a first portion intended for conversion into mechanical energy by said circuit of the Rankine cycle and a second portion intended for said circuit of said heat pump.
  • said closed circuit comprises a first mixer of said first portion disposed downstream of the mechanical energy conversion means in said Rankine cycle circuit with at least a portion of said second portion.
  • said closed circuit comprises successively:
  • a first heat exchanger for vaporizing said working fluid by means of a first heat source, a separator of said working fluid vaporized in two portions,
  • a second heat exchanger for heating a first portion with a second portion compressed by a compressor
  • a third heat exchanger for condensing at least a portion of said working fluid by means of a second heat source
  • said expansion means comprise a valve or a two-phase pump.
  • the closed circuit comprises, upstream of the first mixer, a second separator of the liquid and gaseous phases of the said second portion and, downstream of the third exchanger, a second mixer of the liquid phase with the second working fluid at the outlet of the third exchanger, said first mixer mixing said gaseous phase of said second portion with said first portion.
  • the closed circuit comprises, downstream of the first mixer, a third separator of the liquid and gaseous phases of said working fluid at the outlet of said first mixer and, downstream of the third exchanger, a second mixer of the liquid phase with the working fluid at the outlet of said third exchanger, said third exchanger cooling said aqueous phase of said working fluid.
  • said working fluid comprises ammonia.
  • said heat sources may consist of seawater taken at different depths.
  • FIG. 1 already described, illustrates a basic diagram of an ETM plant operating with a Rankine cycle according to a prior art.
  • FIG. 2 already described, illustrates a diagram of an ETM plant operating with a Rankine cycle equipped with a heat pump according to a prior art.
  • FIG. 3 illustrates a diagram of a thermal energy conversion system operating with a Rankine cycle equipped with a heat pump according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 4 illustrates a diagram of a thermal energy conversion system operating with a Rankine cycle equipped with a heat pump according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 5 illustrates a diagram of a thermal energy conversion system operating with a Rankine cycle equipped with a heat pump according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 6 illustrates a diagram of a thermal energy conversion system operating with a Rankine cycle equipped with a heat pump according to a fourth embodiment of the invention.
  • FIG. 7 illustrates a diagram of a thermal energy conversion system operating with a Rankine cycle equipped with a heat pump according to a variant of the first embodiment of the invention.
  • the invention relates to a method and a system for converting thermal energy from heat sources into mechanical energy.
  • the heat sources may for example consist of seawater taken from different depths: the hot source (for example at 28 ° C) can be taken from the surface of the sea, while the cold source (for example from 4 ° C) may be taken at depths close to or greater than 1000 m.
  • the method and system are based on the use of a thermodynamic cycle employing a working fluid.
  • the working fluid can be ammonia (NH 3 ), in fact the ammonia can be vaporized to the heat exchange means with a hot source, in particular constituted by seawater because, in a field Reasonable pressure, the temperature of the seawater at the surface is high enough to allow the vaporization of ammonia.
  • the temperature of the cold source allows its condensation.
  • the working fluid may consist of any organic fluid meeting the temperature / pressure criteria depending on the temperatures of the heat sources.
  • thermodynamic cycle corresponds to a Rankine cycle equipped with a heat pump.
  • a Rankine cycle (see Figure 1) is a cycle in which the working fluid is successively subjected to the following steps: - vaporization, for example by means of heat exchange with a hot source,
  • condensation for example by means of an exchange of frigories with a cold source
  • a heat pump is a thermodynamic device for transferring heat from a colder medium or the same temperature (and therefore to cool) to a warmer medium or at the same temperature (and therefore to heat it), whereas, naturally, the heat is diffused from the warmest towards the coldest until the equality of the temperatures.
  • a heat pump comprises several devices (see Figure 2): a heat exchanger between a heat source and a working fluid, a compressor, an exchanger between the working fluid of the heat pump and the fluid to reheat and a valve for the relaxation of the working fluid of the heat pump.
  • the addition of a heat pump in the Rankine cycle makes it possible to overheat the vaporised working fluid before it passes into the turbine.
  • the net power generated by this process (Rankine cycle plus PAC) is increased compared to that generated by the Rankine cycle alone. Net power means the power generated in the turbine minus the power consumed by the pump or compressor.
  • the heat pump is integrated in the Rankine cycle: the same working fluid is circulated in the components of the circuit corresponding to the Rankine cycle and in those corresponding to the heat pump; the working fluid is therefore common and unique for the thermodynamic cycle of the invention.
  • the part of the circuit corresponding to the heat pump does not require the use of a heat exchanger with a hot source (subject to corrosion and bio-fouling).
  • the working fluid is separated into two portions, a first portion essentially for the thermodynamic steps of the Rankine cycle and a second portion essentially for the thermodynamic steps of the heat pump.
  • a portion of the working fluid is a part of the working fluid that is used only in part of the thermodynamic circuit according to the invention.
  • the working fluid is then reformed by means allowing the implementation of the mixing steps, condensation, and possibly by means allowing the implementation of the separation steps of the liquid and gaseous phases of the fluids.
  • the fluid is separated into two portions after the step of vaporization of the working fluid in the Rankine cycle: one extracts at the outlet of the evaporator a portion of the flow of the working fluid gaseous.
  • FIG 3 illustrates this first embodiment of the invention. Elements identical or similar to the embodiments of the prior art of Figures 1 and 2, have the same reference signs.
  • the working fluid is vaporized in a first heat exchanger 1, also called evaporator, by means of heat exchange with a hot source SC, in particular surface seawater.
  • the vaporized working fluid is separated into two portions in a first separator, or splitter 1 1.
  • the first portion of the working fluid (in gaseous form) is superheated in a second heat exchanger 8, also called superheater, by means of the second portion.
  • the thermal energy of the first portion of the working fluid is then converted into mechanical energy by means of a turbine 3.
  • the second portion of the working fluid (in gaseous form) is compressed in a compressor 7, then serves to heat the first portion by means of the second heat exchanger 8.
  • the second portion is expanded, for example by means of a valve 9.
  • the pressure at the outlet of the valve 9 is adjusted to the pressure at the outlet of the turbine 3 so that the two streams (portions) have the same pressure.
  • the first portion of the working fluid leaving the turbine 3 and the second portion of the working fluid are then mixed in the mixer (mixer) 12 so as to reform the working fluid.
  • the reformed working fluid is then condensed by means of a third heat exchanger 5, also called a condenser, by means of heat exchange with a cold source SF, in particular seawater taken at depth.
  • the condensed working fluid is then compressed for example in a pump 6 before being vaporized again in the first heat exchanger 1.
  • the second embodiment of the invention differs from the first embodiment in that only the gaseous phase of the second portion of the working fluid is mixed with the first portion of the working fluid leaving the turbine.
  • the second portion at the outlet of the valve is composed of a liquid and gaseous mixture, so it is not useful to cool the liquid phase in the condenser and therefore, the liquid and gaseous phases of the second portion are separated. upstream of the mixture.
  • the liquid thus recovered is mixed with the liquid working fluid at the outlet of the condenser.
  • FIG. 4 illustrates this second embodiment of the invention. Elements similar to the first embodiment are not described.
  • the second portion of the working fluid at the valve outlet 9 is separated into a liquid phase and a gas phase into a second separator 13, for example a flash balloon.
  • the gaseous phase of the second portion at the outlet of the separator 13 is mixed with the first portion at the outlet of the turbine 3 in the mixer 12.
  • the working fluid thus reformed is condensed in the third heat exchanger 5.
  • the liquid phase of the the second portion at the outlet of the separator 13 is mixed in a second mixer 14 (mixer) with the condensed working fluid at the outlet of the third heat exchanger 5. At the output of the second mixer 14 therefore circulates all of the working fluid in liquid form.
  • the third embodiment of the invention differs from the first embodiment in that only the gaseous phase of the reformed working fluid is condensed. Indeed, the rate of liquid at the turbine outlet can be substantial. It is not necessary for the liquid phase to be condensed, so it may be wise to place a flash balloon after mixing the two streams.
  • FIG. 5 illustrates this third embodiment of the invention. Elements similar to the first two embodiments are not described.
  • the working fluid reformed at the outlet of the first mixer 12 is separated into a liquid phase and a gaseous phase, by means of a third separator 15, in particular a flash balloon.
  • the gaseous phase of the working fluid at the outlet of the third separator 15 is condensed in the third heat exchanger 5.
  • the liquid phase of the working fluid at the outlet of the third separator 15 is mixed in a second mixer 14 with the condensed working fluid. output of the third heat exchanger 5. At the output of the second mixer 14 therefore circulates all the working fluid in liquid form.
  • the fourth embodiment of the invention combines the second and third embodiments: only the gaseous phase of the second portion of the working fluid is mixed with the first portion of the working fluid leaving the turbine and only the gaseous phase reformed working fluid is condensed.
  • FIG. 6 illustrates this fourth embodiment of the invention. Elements similar to the first three embodiments are not described.
  • the second portion of the working fluid at the valve outlet 9 is separated into a liquid phase and a gas phase into a second separator 13, for example a flash balloon.
  • the gaseous phase of the second portion at the outlet of the separator 13 is mixed with the first portion at the outlet of the turbine 3 in the mixer 12.
  • the partially reformed working fluid leaving the first mixer 12 is separated into a liquid phase and a gaseous phase, by means of a third separator 15, for example a flash balloon.
  • the gaseous phase of the working fluid at the outlet of the third separator 15 is condensed in the third heat exchanger 5.
  • the liquid phase of the second portion at the outlet of the separator 13 is mixed in a second mixer 14 with the liquid phase of the working fluid partially reformed in the first mixer 12 and with the condensed working fluid at the outlet of the third heat exchanger 5. At the output of the second mixer 14 therefore circulates all the working fluid in liquid form.
  • the expansion of the second portion in the circuit relating to the heat pump can be performed by a two-phase pump.
  • the two-phase pump makes it possible to increase the net power generated by the thermodynamic cycle according to the invention.
  • Figure 7 illustrates this variant for the first embodiment. Elements similar to the four embodiments are not described.
  • valve 9 of the heat pump has been replaced by a two-phase pump 16.
  • the method and the system according to the invention are particularly suitable for use as a central ETM, the hot source being water taken from the surface and the cold source being seawater taken at depth (for example at 1000m).
  • the ammonia is dry at the turbine outlet.
  • the splitter 11 is set so that the flow rate of ammonia in the turbine is the same as for the Rankine cycle with or without PAC is 100 kg / s.
  • the hot or cold water flow rates are adjusted so that the toe is slightly above 2 ° C.
  • the outlet pressure of the compressor is set to have this same 2 degree nip.
  • Table 1 summarizes the consumed and generated powers of the different processes and their comparison with the Rankine cycle:
  • Table 3 evaluates the power gain generated

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Abstract

L'invention concerne un procédé et un système de conversion de l'énergie thermique en énergie mécanique au moyen d'un cycle de Rankine équipé d'une pompe à chaleur, dans lequel la pompe à chaleur (2) est intégrée dans le cycle de Rankine.

Description

PROCEDE D'UNE CONVERSION D'UNE ENERGIE THERMIQUE EN ENERGIE MECANIQUE AU MOYEN D'UN CYCLE DE RANKINE EQUIPE D'UNE POMPE A
CHALEUR
La présente invention concerne le domaine de la conversion d'énergie thermique en énergie mécanique, en particulier pour la conversion de l'énergie thermique des mers (ETM).
Une application particulière de la présente invention se situe dans le domaine de l'Énergie Thermique des Mers (ETM ou OTEC pour Océan Thermal Energy Conversion) qui concerne l'utilisation d'une énergie obtenue en mettant à profit la différence de température existant dans les régions tropicales et subtropicales entre les eaux de mer de surface et les eaux situées en profondeurs, en particulier de l'ordre de 1000 m. Les eaux de surface sont utilisées pour la source chaude et les eaux profondes pour la source froide d'un cycle thermodynamique moteur. La différence de température entre la source chaude et la source froide étant relativement faible, les rendements énergétiques attendus sont eux aussi faibles.
Les centrales ETM conventionnelles fonctionnent généralement selon un cycle de Rankine. La demande de brevet FR 2981 129 décrit l'utilisation du cycle de Rankine dans le cas de ΙΈΤΜ. La figure 1 représente un schéma de base d'une centrale ETM fonctionnant avec un cycle de Rankine et comprenant un échangeur 1 comme source chaude SC (eau de mer de surface) et une source de chaleur secondaire 2. La source de chaleur secondaire permet d'améliorer le cycle thermodynamique. Le système comprend un échangeur 5 comme source froide SF à partir de l'eau de mer froide prélevée en profondeur. Le circuit du fluide moteur, dans le présent exemple de l'ammoniac, comporte une pompe 6 et une turbine 3 entraînant un générateur 4 pour la conversion en énergie électrique.
La demande de brevet FR 2981 129 présente également une variante de ce cycle avec une pompe à chaleur en tant que source de chaleur secondaire pour surchauffer le fluide de travail. L'ajout d'une pompe à chaleur permet notamment une augmentation de la puissance net générée par le système. Une pompe à chaleur (PAC) est un dispositif thermodynamique permettant de transférer la chaleur d'un milieu plus froid ou à la même température(et donc de le refroidir) vers un milieu plus chaud ou à même température (et donc de le chauffer), alors que, naturellement, la chaleur se diffuse du plus chaud vers le plus froid jusqu'à l'égalité des températures. Pour cela, au cycle de Rankine on rajoute pour la pompe à chaleur plusieurs équipements : un échangeur source de chaleur - fluide de travail, un compresseur, un échangeur entre le fluide de travail de la pompe à chaleur et le fluide de travail du cycle de Rankine et une vanne. La figure 2 illustre un exemple d'une centrale ETM fonctionnant avec un cycle de Rankine équipé d'une pompe à chaleur. Le circuit du cycle de Rankine est identique au précédent : il comprend un échangeur 1 , une turbine 3, un échangeur 5 et une pompe 6, la source de chaleur secondaire 2 est constituée par une pompe à chaleur. La pompe à chaleur comprend un échangeur de chaleur 10 avec la source chaude de chaleur, un compresseur 7, un échangeur de chaleur 8 avec le fluide de travail du cycle de Rankine et une vanne 9. L'échangeur de chaleur 10 est soumis à la corrosion et peut s'encrasser par le bio-fouling (incrustations sur une matière solide immergée dans un milieu aquatique constituées d'êtres vivants ou dû à des êtres vivants aquatiques : bactéries, protistes, végétaux et animaux). Cet équipement nécessite donc une maintenance importante.
L'invention concerne un procédé et un système de conversion de l'énergie thermique en énergie mécanique au moyen d'un cycle de Rankine équipé d'une pompe à chaleur, dans lequel la pompe à chaleur est intégrée dans le cycle de Rankine. Ainsi, un seul fluide de travail est utilisé pour le circuit du cycle de Rankine et pour le circuit de la pompe à chaleur et le circuit de la pompe à chaleur ne nécessite plus d'échangeur de chaleur avec la source chaude.
Le procédé et le système selon l'invention
L'invention concerne un procédé de conversion d'une énergie thermique en énergie mécanique dans lequel on fait circuler un fluide de travail dans un circuit fermé comportant un circuit selon un cycle de Rankine équipé d'une pompe à chaleur pour chauffer ledit fluide de travail vaporisé dans ledit circuit du cycle de Rankine. Pour le procédé, on fait circuler dans le circuit de ladite pompe à chaleur le fluide de travail dudit circuit du cycle de Rankine.
Selon l'invention, on sépare ledit fluide de travail vaporisé en deux portions, une première portion destinée à la conversion en énergie mécanique par ledit circuit du cycle de Rankine et une deuxième portion destinée à ladite pompe à chaleur.
Avantageusement, on mélange ladite première portion après l'étape de conversion en énergie mécanique dans ledit circuit du cycle de Rankine avec au moins une partie de ladite deuxième portion.
De préférence, on réalise les étapes suivantes :
a) on vaporise ledit fluide de travail par un échange thermique avec une première source de chaleur ;
b) on sépare ledit fluide de travail vaporisé en deux portions ;
c) on chauffe une première portion par échange de chaleur avec une deuxième portion préalablement comprimée ; d) on transforme une partie de l'énergie thermique contenue dans ladite première portion en énergie mécanique ;
e) on reforme au moins une partie du fluide de travail par mélange d'au moins une partie desdites première et deuxième portions, ladite deuxième portion étant préalablement détendue ;
f) on condense au moins une partie du fluide de travail reformé par échange de chaleur avec une deuxième source de chaleur ; et
g) on comprime ledit fluide de travail condensé.
Selon un mode de réalisation de l'invention, on sépare, en amont de l'étape de reformation d'une partie dudit fluide de travail, ladite deuxième portion en une phase liquide et une phase gazeuse, on mélange ladite phase gazeuse de ladite deuxième portion avec ladite première portion lors de l'étape de reformation partielle du fluide de travail, et on mélange ladite phase liquide de ladite deuxième portion avec le fluide de travail condensé.
En variante, on sépare ledit fluide de travail partiellement reformé en une phase liquide et une phase gazeuse, on condense ladite phase gazeuse dudit fluide de travail lors de l'étape de condensation, et on mélange ladite phase liquide dudit fluide de travail avec le fluide de travail condensé.
Selon l'invention, lesdites sources de chaleur sont constituées d'eau de mer prélevées à des profondeurs différentes.
Avantageusement, ledit fluide de travail comporte de l'ammoniac.
En outre, l'invention concerne un système de conversion d'une énergie thermique en énergie mécanique comportant un circuit fermé dans lequel circule un fluide de travail, ledit circuit fermé comportant un circuit d'un cycle de Rankine équipé d'une pompe à chaleur pour chauffer ledit fluide de travail vaporisé dans le circuit du cycle de Rankine. Dans le système, le fluide de travail du circuit du cycle de Rankine circule dans le circuit de ladite pompe à chaleur.
Selon l'invention, ledit circuit fermé comporte un premier séparateur dudit fluide de travail en deux portions, une première portion destinée à la conversion en énergie mécanique par ledit circuit du cycle de Rankine et une deuxième portion destinée audit circuit de ladite pompe à chaleur.
Avantageusement, ledit circuit fermé comporte un premier mélangeur de ladite première portion disposé en aval des moyens de conversion en énergie mécanique dans ledit circuit du cycle de Rankine avec au moins une partie de ladite deuxième portion.
De préférence, ledit circuit fermé comporte successivement :
- un premier échangeur de chaleur pour vaporiser ledit fluide de travail au moyen d'une première source de chaleur, - un séparateur dudit fluide de travail vaporisé en deux portions,
- un deuxième échangeur de chaleur pour chauffer une première portion avec une deuxième portion comprimée par un compresseur,
- une turbine pour convertir une partie de l'énergie thermique contenue dans la première portion en énergie mécanique,
- un premier mélangeur d'au moins une partie desdites première et deuxième portions pour reformer au moins une partie dudit fluide de travail, la deuxième portion étant détendue par des moyens de détente,
- un troisième échangeur de chaleur pour condenser au moins une partie dudit fluide de travail au moyen d'une deuxième source de chaleur, et
- une pompe pour comprimer ledit fluide de travail condensé.
De manière avantageuse, lesdits moyens de détente comportent une vanne ou une pompe diphasique.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit fermé comprend, en amont du premier mélangeur, un deuxième séparateur des phases liquide et gazeuse de ladite deuxième portion et, en aval du troisième échangeur, un deuxième mélangeur de la phase liquide avec le fluide de travail en sortie du troisième échangeur, ledit premier mélangeur mélangeant ladite phase gazeuse de ladite deuxième portion avec ladite première portion.
Selon une variante de réalisation de l'invention, le circuit fermé comprend, en aval du premier mélangeur, un troisième séparateur des phases liquide et gazeuse dudit fluide de travail en sortie dudit premier mélangeur et, en aval du troisième échangeur, un deuxième mélangeur de la phase liquide avec le fluide de travail en sortie dudit troisième échangeur, ledit troisième échangeur refroidissant ladite phase aqueuse dudit fluide de travail.
Selon l'invention, ledit fluide de travail comporte de l'ammoniac.
En outre, lesdites sources de chaleur peuvent être constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes.
Présentation succincte des figures
D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
La figure 1 , déjà décrite, illustre un schéma de base d'une centrale ETM fonctionnant avec un cycle de Rankine selon un art antérieur.
La figure 2, déjà décrite, illustre un schéma d'une centrale ETM fonctionnant avec un cycle de Rankine équipé d'une pompe à chaleur selon un art antérieur. La figure 3, illustre un schéma d'un système de conversion de l'énergie thermique fonctionnant avec un cycle de Rankine équipé d'une pompe à chaleur selon un premier mode de réalisation de l'invention.
La figure 4, illustre un schéma d'un système de conversion de l'énergie thermique fonctionnant avec un cycle de Rankine équipé d'une pompe à chaleur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
La figure 5, illustre un schéma d'un système de conversion de l'énergie thermique fonctionnant avec un cycle de Rankine équipé d'une pompe à chaleur selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
La figure 6, illustre un schéma d'un système de conversion de l'énergie thermique fonctionnant avec un cycle de Rankine équipé d'une pompe à chaleur selon un quatrième mode de réalisation de l'invention.
La figure 7, illustre un schéma d'un système de conversion de l'énergie thermique fonctionnant avec un cycle de Rankine équipé d'une pompe à chaleur selon une variante du premier mode de réalisation de l'invention.
Description de modes de réalisation de l'invention
L'invention concerne un procédé et un système de conversion d'énergie thermique provenant de sources de chaleur en énergie mécanique. Les sources de chaleur peuvent être par exemple constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes : la source chaude (par exemple à 28 °C) peut être prélevée à à surface de la mer, alors que la source froide (par exemple à 4 °C) peut être prélevée à des profondeurs proches ou supérieures de 1000 m.
Le procédé et le système sont basés sur l'utilisation d'un cycle thermodynamique mettant en œuvre un fluide de travail. Par exemple, le fluide de travail peut être de l'ammoniac (NH3), en effet l'ammoniac peut être vaporisé aux moyens d'échange de chaleur avec une source chaude, notamment constituée d'eau de mer car, dans un domaine de pression raisonnable, la température de l'eau de mer en surface est assez élevée pour permettre la vaporisation de l'ammoniac. De même la température de la source froide permet sa condensation. Alternativement, le fluide de travail peut être constitué par tout fluide organique répondant aux critères de température/pression dépendant des températures des sources de chaleur.
Selon l'invention, le cycle thermodynamique correspond à un cycle de Rankine équipé d'une pompe à chaleur.
Un cycle de Rankine (cf. figure 1 ) est un cycle dans lequel le fluide de travail est soumis successivement aux étapes suivantes : - vaporisation, par exemple au moyen d'un échange de chaleur avec une source chaude,
- détente, par exemple au moyen d'une turbine qui convertit l'énergie thermique en énergie mécanique,
- condensation, par exemple au moyen d'un échange de frigories avec une source froide, et
- compression, par exemple au moyen d'une pompe.
Une pompe à chaleur (PAC) est un dispositif thermodynamique permettant de transférer la chaleur d'un milieu plus froid ou de même température (et donc de le refroidir ) vers un milieu plus chaud ou à même température (et donc de le chauffer), alors que, naturellement, la chaleur se diffuse du plus chaud vers le plus froid jusqu'à l'égalité des températures. Pour cela, une pompe à chaleur comporte plusieurs équipements (cf. figure 2) : un échangeur de chaleur entre une source de chaleur et un fluide de travail, un compresseur, un échangeur entre le fluide de travail de la pompe à chaleur et le fluide à réchauffer et une vanne pour la détente du fluide de travail de la PAC. L'ajout d'une pompe à chaleur dans le cycle de Rankine permet de surchauffer le fluide de travail vaporisé avant son passage dans la turbine. Ainsi, la puissance nette générée par ce procédé (cycle de Rankine plus PAC) est augmentée par rapport à celle générée par le cycle de Rankine seul. Par puissance nette on entend la puissance générée à la turbine moins les puissances consommées par la pompe ou le compresseur.
Selon l'invention, la pompe à chaleur est intégrée dans le cycle de Rankine : on fait circuler le même fluide de travail dans les composants du circuit correspondant au cycle de Rankine et dans ceux correspondant à la pompe à chaleur ; le fluide de travail est donc commun et unique pour le cycle thermodynamique de l'invention. Ainsi, la partie du circuit correspondant à la pompe à chaleur ne nécessite pas l'utilisation d'un échangeur de chaleur avec une source chaude (soumis à la corrosion et au bio-fouling). Avantageusement, on sépare le fluide de travail en deux portions, une première portion destinée essentiellement aux étapes thermodynamiques du cycle de Rankine et une deuxième portion destinée essentiellement aux étapes thermodynamiques de la pompe à chaleur. On appelle portion du fluide de travail une partie du fluide de travail qui est utilisée seulement dans une partie du circuit thermodynamique selon l'invention. Le fluide de travail est ensuite reformé par des moyens permettant la mise en œuvre des étapes de mélange, condensation, et éventuellement par des moyens permettant la mise en œuvre des étapes de séparation des phases liquide et gazeuse des fluides. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, on sépare le fluide en deux portions après l'étape de vaporisation du fluide de travail dans le cycle de Rankine : on extrait en sortie de l'évaporateur une partie du flux du fluide de travail gazeux.
La figure 3 illustre ce premier mode de réalisation de l'invention. Les éléments identiques ou analogues aux modes de réalisation de l'art antérieur des figures 1 et 2, possèdent les mêmes signes de référence.
Le fluide de travail est vaporisé dans un premier échangeur de chaleur 1 , appelé également évaporateur, au moyen d'un échange de chaleur avec une source chaude SC, notamment de l'eau de mer de surface. Le fluide de travail vaporisé est séparé en deux portions dans un premier séparateur, ou splitter 1 1 .
La première portion du fluide de travail (sous forme gazeuse) est surchauffée dans un deuxième échangeur de chaleur 8, appelé également surchauffeur, au moyen de la deuxième portion. L'énergie thermique de la première portion du fluide de travail est ensuite convertie en énergie mécanique au moyen d'une turbine 3.
La deuxième portion du fluide de travail (sous forme gazeuse) est comprimée dans un compresseur 7, puis sert à chauffer la première portion au moyen du deuxième échangeur de chaleur 8. En sortie du deuxième échangeur 8, la deuxième portion est détendue, par exemple au moyen d'une vanne 9. La pression en sortie de la vanne 9 est réglée à la pression en sortie de la turbine 3 de façon à ce que les deux flux (portions) aient la même pression.
La première portion du fluide de travail sortant de la turbine 3 et la deuxième portion du fluide de travail sont alors mélangées dans le mélangeur (mixer) 12 de manière à reformer le fluide de travail.
Le fluide de travail reformé est ensuite condensé au moyen d'un troisième échangeur de chaleur 5, appelé également condenseur, au moyen d'un échange de chaleur avec une source froide SF, notamment de l'eau de mer prélevée en profondeur. Le fluide de travail condensé est ensuite compressé par exemple dans une pompe 6 avant d'être à nouveau vaporisé dans le premier échangeur de chaleur 1 . Le deuxième mode de réalisation de l'invention diffère du premier mode de réalisation par le fait que seule la phase gazeuse de la deuxième portion du fluide de travail est mélangée avec la première portion du fluide de travail en sortie de la turbine. En effet, la deuxième portion en sortie de la vanne est composée d'un mixte liquide et gazeux, il n'est donc pas utile de refroidir la phase liquide dans le condenseur et donc, on sépare les phases liquide et gazeuse de la deuxième portion en amont du mélange. Le liquide ainsi récupéré est mélangé au fluide de travail liquide en sortie du condenseur. La figure 4 illustre ce deuxième mode de réalisation de l'invention. Les éléments similaires au premier mode de réalisation ne sont pas décrits.
La deuxième portion du fluide de travail en sortie de vanne 9 est séparée en une phase liquide et une phase gazeuse dans un deuxième séparateur 13, par exemple un ballon de flash. La phase gazeuse de la deuxième portion en sortie du séparateur 13 est mélangée avec la première portion en sortie de la turbine 3 dans le mélangeur 12. Le fluide de travail ainsi reformé est condensé dans le troisième échangeur de chaleur 5. La phase liquide de la deuxième portion en sortie du séparateur 13 est mélangée dans un deuxième mélangeur 14 (mixer) avec le fluide de travail condensé en sortie du troisième échangeur de chaleur 5. En sortie du deuxième mélangeur 14 circule donc la totalité du fluide de travail sous forme liquide.
Le troisième mode de réalisation de l'invention diffère du premier mode de réalisation par le fait que seule la phase gazeuse du fluide de travail reformé est condensée. En effet, le taux de liquide en sortie de turbine peut être conséquent. Il n'est pas nécessaire que la phase liquide soit condensée, il peut donc être judicieux de placer un ballon de flash après le mélange des deux flux.
La figure 5 illustre ce troisième mode de réalisation de l'invention. Les éléments similaires aux deux premiers modes de réalisation ne sont pas décrits.
Le fluide de travail reformé en sortie du premier mélangeur 12 est séparé en une phase liquide et une phase gazeuse, au moyen d'un troisième séparateur 15, notamment un ballon de flash. La phase gazeuse du fluide de travail en sortie du troisième séparateur 15 est condensée dans le troisième échangeur de chaleur 5. La phase liquide du fluide de travail en sortie du troisième séparateur 15 est mélangée dans un deuxième mélangeur 14 avec le fluide de travail condensé en sortie du troisième échangeur de chaleur 5. En sortie du deuxième mélangeur 14 circule donc la totalité du fluide de travail sous forme liquide.
Le quatrième mode de réalisation de l'invention combine les deuxième et troisième modes de réalisation : seule la phase gazeuse de la deuxième portion du fluide de travail est mélangée avec la première portion du fluide de travail en sortie de la turbine et seule la phase gazeuse du fluide de travail reformé est condensée.
La figure 6 illustre ce quatrième mode de réalisation de l'invention. Les éléments similaires aux trois premiers modes de réalisation ne sont pas décrits.
La deuxième portion du fluide de travail en sortie de vanne 9 est séparée en une phase liquide et une phase gazeuse dans un deuxième séparateur 13, par exemple un ballon de flash. La phase gazeuse de la deuxième portion en sortie du séparateur 13 est mélangée avec la première portion en sortie de la turbine 3 dans le mélangeur 12. Le fluide de travail partiellement reformé en sortie du premier mélangeur 12 est séparé en une phase liquide et une phase gazeuse, au moyen d'un troisième séparateur 15, par exemple un ballon de flash. La phase gazeuse du fluide de travail en sortie du troisième séparateur 15 est condensée dans le troisième échangeur de chaleur 5.
La phase liquide de la deuxième portion en sortie du séparateur 13 est mélangée dans un deuxième mélangeur 14 avec la phase liquide du fluide de travail partiellement reformé dans le premier mélangeur 12 et avec le fluide de travail condensé en sortie du troisième échangeur de chaleur 5. En sortie du deuxième mélangeur 14 circule donc la totalité du fluide de travail sous forme liquide.
Selon une variante de réalisation de l'invention compatible avec tous les modes de réalisation décrits auparavant, la détente de la deuxième portion dans le circuit relatif à la pompe à chaleur peut être réalisée par une pompe diphasique. La pompe diphasique permet d'augmenter la puissance net générée par le cycle thermodynamique selon l'invention. La figure 7 illustre cette variante pour le premier mode de réalisation. Les éléments similaires aux quatre modes de réalisation ne sont pas décrits.
Dans ce circuit, la vanne 9 de la pompe à chaleur a été remplacée par une pompe diphasique 16. Le procédé et le système selon l'invention sont particulièrement adaptés pour être utilisés en tant que centrale ETM, la source chaude étant de l'eau de mer prélevée à la surface et la source froide étant de l'eau de mer prélevée en profondeur (par exemple à 1000m). Exemples d'application
Afin de montrer l'intérêt du procédé et du système selon l'invention, des simulations sont réalisées pour différents modes de réalisation de l'invention ainsi que pour deux réalisations de l'art antérieur. Pour étudier et comparer les différents procédés, nous considérons que le fluide de travail est de l'ammoniac (NH3) et nous avons fixé les paramètres suivants :
• Eau chaude (Source chaude SC)
o Température 28 °C
• Eau froide (Source froide SF)
o Température 4 °C
• Cycle de Rankine sans PAC (art antérieur de la figure 1 )
o Débit de NH3 dans la turbine 3 : 100 kg/s • Pompe à chaleur 2
o Débit de NH3 : 4 kg/s
A noter que dans ces conditions, l'ammoniac est sec en sortie de turbine. Pour les cycles avec PAC intégrée selon l'invention, le splitter 1 1 est réglé pour que le débit d'ammoniac dans la turbine soit le même que pour le cycle de Rankine avec ou sans PAC soit 100 kg/s.
Pour tous les cycles, les débits d'eau chaude ou froide sont réglés pour que le pincement soit légèrement supérieur à 2 °C. Pour le surchauffeur 8, la pression en sortie du compresseur est réglée pour avoir ce même pincement de 2 degrés.
Les différents procédés simulés sont :
o le cycle de Rankine seul, noté Cycle 1 , tel qu'illustré à la figure 1 (art antérieur), o le cycle thermodynamique de la figure 2 avec un cycle de Rankine et une pompe à chaleur, noté Cycle 2 (art antérieur),
o les premier, deuxième et troisième modes de réalisations de l'invention, tels qu'illustrés aux figures 3 à 5 et notés respectivement Cycles 3, 4 et 5.
Le tableau 1 résume les puissances consommées et générées des différents procédés et leur comparaison par rapport au cycle de Rankine :
Tableau 1 - Comparatif des puissances consommées et générées
Figure imgf000011_0001
On constate que l'apport d'une pompe à chaleur permet de générer environ 500 kW en plus par rapport au cycle de Rankine, soit un gain de puissance d'environ 15%.
L'intégration de la PAC selon l'invention (Cycles 3, 4 et 5) dans le cycle de Rankine fait légèrement chuter le gain obtenu dans le Cycle 2 (selon l'art antérieur) du fait de l'augmentation de la puissance de la pompe d'eau froide. Cependant, le deuxième mode de réalisation de l'invention permet de revenir pratiquement à la même puissance générée que le cycle de Rankine avec PAC du Cycle 2. D'autre part, l'intégration de la PAC selon l'invention dans le cycle modifie peu le dimensionnement de l'échangeur avec la source froide (condenseur) et n'a aucun impact sur le vaporisateur et le surchauffeur.
Une deuxième série de simulation a été réalisée, en remplaçant la vanne 9 par une pompe diphasique. Le tableau 2 donne les résultats de ces simulations :
Tableau 2 - Comparatif des puissances consommées et générées avec turbine diphasique
Figure imgf000012_0001
Avec la turbine diphasique, on obtient dans cet exemple une puissance générée sur l'arbre de 6,85 kW,
Le tableau 3 permet d'évaluer le gain en puissance générée
Tableau 3 - Comparatif des gains avec pompe diphasique par rapport aux mêmes cycles munis d'une vanne
Figure imgf000012_0002
Ce gain est faible mais significatif. De plus, l'ajout une turbine diphasique n'apporte pas de changement particulier sur les paramètres dimensionnant les échangeurs. Cette conclusion vient du fait que dans les conditions où elle travaille dans cet exemple, la turbine diphasique modifie peu les conditions thermodynamiques du fluide de travail en sortie.
Plusieurs variantes du procédé selon l'invention, avec surchauffe d'un cycle de Rankine par une pompe à chaleur ont été étudiées. Ces variantes permettent de supprimer l'échangeur eau de mer - fluide de travail de la pompe à chaleur, cet échangeur est certes de taille modeste par rapport aux échangeurs principaux du cycle de Rankine, mais pose les problèmes de corrosion et de bio-fouling.
Les simulations de ces différents procédés montrent que l'intégration selon l'invention améliore sensiblement de la même façon le cycle de Rankine que l'ajout simple d'une pompe à chaleur au cycle de Rankine.
De plus, l'ajout d'une turbine diphasique dans ces procédés permet d'améliorer le rendement de quelques points sans modification particulière à apporter aux designs des échangeurs principaux.

Claims

Revendications
1 ) Procédé de conversion d'une énergie thermique en énergie mécanique dans lequel on fait circuler un fluide de travail dans un circuit fermé comportant un circuit selon un cycle de Rankine équipé d'une pompe à chaleur (2) pour chauffer ledit fluide de travail vaporisé dans ledit circuit du cycle de Rankine, caractérisé en ce qu'on fait circuler dans le circuit de ladite pompe à chaleur le fluide de travail dudit circuit du cycle de Rankine.
2) Procédé selon la revendication 1 , dans lequel on sépare ledit fluide de travail vaporisé en deux portions, une première portion destinée à la conversion en énergie mécanique par ledit circuit du cycle de Rankine et une deuxième portion destinée à ladite pompe à chaleur.
3) Procédé selon la revendication 2, dans lequel on mélange ladite première portion après l'étape de conversion en énergie mécanique dans ledit circuit du cycle de Rankine avec au moins une partie de ladite deuxième portion.
4) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on réalise les étapes suivantes :
a) on vaporise ledit fluide de travail par un échange thermique avec une première source de chaleur (SC) ;
b) on sépare ledit fluide de travail vaporisé en deux portions ;
c) on chauffe une première portion par échange de chaleur avec une deuxième portion préalablement comprimée ;
d) on transforme une partie de l'énergie thermique contenue dans ladite première portion en énergie mécanique ;
e) on reforme au moins une partie du fluide de travail par mélange d'au moins une partie desdites première et deuxième portions, ladite deuxième portion étant préalablement détendue ;
f) on condense au moins une partie du fluide de travail reformé par échange de chaleur avec une deuxième source de chaleur (SF) ; et
g) on comprime ledit fluide de travail condensé.
5) Procédé selon la revendication 4, dans lequel on sépare, en amont de l'étape de reformation d'une partie dudit fluide de travail, ladite deuxième portion en une phase liquide et une phase gazeuse, on mélange ladite phase gazeuse de ladite deuxième portion avec ladite première portion lors de l'étape de reformation partielle du fluide de travail, et on mélange ladite phase liquide de ladite deuxième portion avec le fluide de travail condensé.
6) Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, dans lequel on sépare ledit fluide de travail partiellement reformé en une phase liquide et une phase gazeuse, on condense ladite phase gazeuse dudit fluide de travail lors de l'étape de condensation, et on mélange ladite phase liquide dudit fluide de travail avec le fluide de travail condensé.
7) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites sources de chaleur (SF, SC) sont constituées d'eau de mer prélevées à des profondeurs différentes.
8) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit fluide de travail comporte de l'ammoniac. 9) Système de conversion d'une énergie thermique en énergie mécanique comportant un circuit fermé dans lequel circule un fluide de travail, ledit circuit fermé comportant un circuit d'un cycle de Rankine équipé d'une pompe à chaleur pour chauffer ledit fluide de travail vaporisé dans le circuit du cycle de Rankine, caractérisé en ce que le fluide de travail du circuit du cycle de Rankine circule dans le circuit de ladite pompe à chaleur (2).
10) Système selon la revendication 9, dans lequel ledit circuit fermé comporte un premier séparateur (1 1 ) dudit fluide de travail en deux portions, une première portion destinée à la conversion en énergie mécanique par ledit circuit du cycle de Rankine et une deuxième portion destinée audit circuit de ladite pompe à chaleur (2).
1 1 ) Système selon la revendication 10, dans lequel ledit circuit fermé comporte un premier mélangeur (12) de ladite première portion disposé en aval des moyens de conversion en énergie mécanique (3) dans ledit circuit du cycle de Rankine avec au moins une partie de ladite deuxième portion.
12) Système selon l'une des revendications 9 à 1 1 , dans lequel ledit circuit fermé comporte successivement :
- un premier échangeur de chaleur (1 ) pour vaporiser ledit fluide de travail au moyen d'une première source de chaleur (SC),
- un séparateur (1 1 ) dudit fluide de travail vaporisé en deux portions,
- un deuxième échangeur de chaleur (8) pour chauffer une première portion avec une deuxième portion comprimée par un compresseur (7), - une turbine (3) pour convertir une partie de l'énergie thermique contenue dans la première portion en énergie mécanique,
- un premier mélangeur (12) d'au moins une partie desdites première et deuxième portions pour reformer au moins une partie dudit fluide de travail, la deuxième portion étant détendue par des moyens de détente (9, 16),
- un troisième échangeur (5) de chaleur pour condenser au moins une partie dudit fluide de travail au moyen d'une deuxième source de chaleur (SF), et
- une pompe (6) pour comprimer ledit fluide de travail condensé. 13) Système selon la revendication 12, dans lequel lesdits moyens de détente comportent une vanne (9) ou une pompe diphasique (16).
14) Système selon l'une des revendications 12 ou 13, dans lequel le circuit fermé comprend, en amont du premier mélangeur (12), un deuxième séparateur (13) des phases liquide et gazeuse de ladite deuxième portion et, en aval du troisième échangeur (5), un deuxième mélangeur (14) de la phase liquide avec le fluide de travail en sortie du troisième échangeur (5), ledit premier mélangeur (12) mélangeant ladite phase gazeuse de ladite deuxième portion avec ladite première portion. 15) Système selon l'une des revendications 12 à 14, dans lequel le circuit fermé comprend, en aval du premier mélangeur (12), un troisième séparateur (15) des phases liquide et gazeuse dudit fluide de travail en sortie dudit premier mélangeur (12) et, en aval du troisième échangeur (5), un deuxième mélangeur (14) de la phase liquide avec le fluide de travail en sortie dudit troisième échangeur (5), ledit troisième échangeur (5) refroidissant ladite phase aqueuse dudit fluide de travail.
16) Système selon l'une des revendications 9 à 15, dans lequel ledit fluide de travail comporte de l'ammoniac. 17) Système selon l'une des revendications 10 à 18, dans lequel lesdites sources de chaleur (SF, SC) sont constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes.
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