WO2016038202A1 - Système de production d'énergie basée sur un cycle de rankine - Google Patents

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WO2016038202A1
WO2016038202A1 PCT/EP2015/070870 EP2015070870W WO2016038202A1 WO 2016038202 A1 WO2016038202 A1 WO 2016038202A1 EP 2015070870 W EP2015070870 W EP 2015070870W WO 2016038202 A1 WO2016038202 A1 WO 2016038202A1
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WO
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working fluid
heat exchanger
exchanger
expander
outlet
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/070870
Other languages
English (en)
Inventor
Stéphane Colasson
Nicolas Tauveron
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives
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Filing date
Publication date
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours

Definitions

  • the present invention relates to systems for producing electrical or mechanical energy.
  • thermodynamic cycle of Rankine It finds for advantageous application the systems of production of energy of small power, calling on a thermodynamic cycle of Rankine. It will apply, for example, to the production of energy from thermal discharges produced by factories, by vehicle engines or from heat from systems recovering solar energy or from biomass.
  • Rankine cycles are all based on transformations successively comprising: the pumping of a working fluid in liquid form, the creation of steam and its possible overheating, the relaxation of the steam to generate a movement and condensation of steam.
  • the working fluid may be selected from water, carbon dioxide or an organic fluid. In the latter case, we speak of organic Rankine cycle.
  • the majority of thermal power generation systems are based on the use of such cycles.
  • a machine based on a Rankine cycle is, in known manner, consisting of four main organs, namely:
  • thermodynamic cycle it is on this type of thermodynamic cycle that the majority of nuclear power plants, coal-fired power plants, or heavy-fuel thermal power plants are based in order to produce high power.
  • the hot springs have a very high power and temperature.
  • thermal discharges that is to say thermal discharges whose temperature is most often less than 200 ° C or less than 150 ° C.
  • Systems based on a Rankine cycle would theoretically produce electrical or mechanical energy from these heat discharges.
  • the powers that could be produced would then be relatively low, typically of the order of a few kilowatts to a hundred kilowatts for thermal discharges below one megawatt, because of the low thermodynamic efficiency.
  • FIG. 1 illustrates the system according to this prior art. This is a subcritical cycle.
  • This circuit comprises a pump 150, a heat exchanger 1 10, an expander 120 and a cold exchanger 130 arranged to perform a Rankine cycle as indicated above.
  • the circuit comprises an injector 100 and an additional pump 152.
  • the output of the injector 100 is connected to the inlet of the cold exchanger 130 (condenser).
  • the two inputs of the injector 100 are connected on the one hand to the output of the expander 120 and on the other hand to the output of the additional pump 152 whose input is connected to the output of the cold exchanger 130 .
  • this second pump 152 at the injector inlet 100 complicates the installation and reduces the overall efficiency.
  • the present invention relates to a system for producing electrical or mechanical energy comprising a fluid circuit in which an organic working fluid circulates and comprising a plurality of members traversed by the working fluid and among which: at least one first heat exchanger configured to be thermally coupled to at least a first heat source, an expander having an inlet fluidly connected to an outlet of the first heat exchanger, a second heat exchanger configured to be thermally coupled to a second heat source colder than the first heat source and a pump, the circuit being configured so that the working fluid set in motion by the pump passes successively through at least the pump, the first heat exchanger, the expander and the second exchanger, and then again the pump.
  • the system comprises an injector comprising: a first input fluidically connected to an output of the second heat exchanger; heat, a second input fluidically connected to the output of the first exchanger and an output fluidically connected to an input of said pump.
  • the system is configured so that the second inlet of the injector is fluidly connected downstream of the first exchanger and strictly upstream of the expander.
  • the upstream and the downstream at a given point are taken with reference to the direction of circulation of the fluid in the circuit.
  • the second inlet of the injector is fluidly connected between the outlet of the first exchanger and the inlet of the expander.
  • circuit proposed by the invention increases the cavitation margin at the pump, making the system more reliable and reducing the wear of the pump.
  • the invention thus provides an effective solution for valuing thermal discharges with relatively low temperatures.
  • the second inlet of the injector is fluidly connected downstream of the first exchanger and strictly upstream of the expander.
  • the second inlet of the injector is not connected downstream of the expander or the expander itself, for example an intermediate stage of the latter.
  • the system is configured so that at the outlet of the first exchanger the working fluid is brought into a supercritical state.
  • the system is configured such that the pressure and temperature of the working fluid at the outlet of the first exchanger is greater than the critical pressures and temperatures of the working fluid.
  • the fluid is thus brought beyond its critical point.
  • the system then operates according to a supercritical Rankine cycle.
  • the temperature difference between the working fluid and the hot source is then less, thereby resulting in a lower energy dissipation.
  • the overall efficiency of the system is then improved while maintaining high reliability and limited complexity.
  • the working fluid is an organic fluid.
  • organic fluid is meant a fluid composed of molecules or a mixture of molecules consisting of carbon atoms, hydrogen and possibly other atoms such as, for example, oxygen, fluorine, nitrogen, chlorine, bromine.
  • the working fluid is not an organic fluid.
  • the expression "A fluidically connected to B" does not necessarily mean that there is no organ between A and B.
  • the present invention also relates to a method for producing electrical or mechanical energy from the system according to any one of the preceding claims comprising at least the following steps:
  • a mixing step in the injector of the working fluid issuing from the outlet of the second heat exchanger and of said second portion of the working fluid coming from the first heat exchanger, so as to deliver a fluid at the outlet of the injector; mixed having a pressure greater than that of the working fluid from the outlet of the second exchanger.
  • the method may have any of the optional features and steps set forth below that can be taken separately or in combination:
  • the method comprises a step of cooling a cooling fluid thermally coupled to the working fluid by a third heat exchanger, the working fluid circulating in the third heat exchanger being taken at the outlet of the injector and reinjected at the the expander's output.
  • the coolant cools an alternator coupled to the expander.
  • the invention makes it possible to make the use of heat rejects at low temperature profitable, while requiring little energetic means.
  • the present invention provides a simplified system, inexpensive, low energy consumption, while having improved energy efficiency without overloading the pump or increase the cost and complexity of the system.
  • FIG. 1 illustrates a system made from a Rankine cycle according to the prior art.
  • FIG. 2a illustrates an exemplary system according to the present invention, the system comprising an injector of which one of the two inputs is fluidically connected to the output of a first heat exchanger.
  • FIGURE 2b illustrates an embodiment for which the system comprises an additional exchanger.
  • FIG. 2c illustrates another embodiment for which the first exchanger comprises two separate exchangers.
  • FIGURE 2d illustrates another embodiment for which the separate exchangers have different temperatures and flow rates.
  • FIGURE 3 illustrates a system according to the present invention comprising an additional cooling circuit.
  • FIG. 4 represents a sectional view illustrating the principle of cooling the stator of an energy conversion system such as an alternator.
  • FIGURE 5 is a sectional view of an example of an injector that can be used in the context of the various embodiments of the invention.
  • the system comprises a cooling circuit connected in parallel with the injector and the second heat exchanger, the cooling circuit being fluidly connected on the one hand to the outlet of the injector and on the other hand leaves the expander.
  • the cooling circuit is fed by a portion of the working fluid which is taken out of the injector. Its pressure is increased.
  • the system comprises an energy conversion device configured to convert a mechanical movement produced by the expander into electricity or another mechanical movement.
  • the cooling circuit comprises a third heat exchanger thermally coupled with a third heat source exchanging heat with the energy converting device, the system being configured such that the outlet pressure of the third heat exchanger is greater than the pressure at the outlet of the expander.
  • the energy conversion device comprises an alternator configured to convert the mechanical movement produced by the expander into electricity and the third heat source comprises a circuit thermally coupled with the alternator.
  • the third source of heat absorbs the calories produced by the alternator. Part of the calories absorbed by the third heat source is then absorbed by the working fluid circulating in the third heat exchanger.
  • the alternator comprises a stator and the third heat source comprises a fluid circuit in contact with the stator and enclosing a heat transfer fluid.
  • the first heat exchanger comprises at least one primary heat exchanger and a secondary heat exchanger.
  • the inlet of the primary heat exchanger (corresponding to the inlet of the first heat exchanger) is preferably fluidly connected to the outlet of the pump.
  • the output of the primary heat exchanger is preferably fluidly connected to the inlet of the secondary heat exchanger.
  • the output of the secondary heat exchanger (corresponding to the output of the first heat exchanger) is fluidly connected to the inlet of the expander.
  • the primary heat exchanger and the secondary heat exchanger are configured to be each thermally coupled to the same heat source.
  • the primary heat exchanger is configured to be thermally coupled to a primary heat source and the secondary heat exchanger is configured to be thermally coupled to a secondary heat source separate from the primary heat source.
  • the first heat exchanger is configured to bring the working fluid to its outlet at a temperature below 200 ° C. and preferably below 150 ° C.
  • the circuit is configured so that the temperature of the working fluid at the outlet of the first exchanger is between room temperature and 200 ° C and preferably between room temperature and 150 ° C.
  • the system comprises the hot source.
  • the hot source and the first exchanger are configured to provide at the outlet of the first exchanger a temperature for the working fluid of less than 200 ° C and preferably less than 150 ° C.
  • the second heat exchanger is configured to bring the working fluid to its outlet at a temperature between room temperature and 150 ° C., the temperature of the working fluid leaving the second heat exchanger being lower than the temperature of the heat exchanger. working fluid at the outlet of the first exchanger.
  • the system is configured so that the pressure and the temperature of the working fluid at the outlet of the first exchanger are greater than the critical pressure and temperature of the working fluid.
  • the working fluid is refrigerant and selected from R410a, R134a, R227ea, or R245fa. These fluids make it possible to reach a supercritical regime with hot springs at temperatures below 200 ° C. They are therefore particularly advantageous for producing energy from thermal discharges from factories or thermal engines.
  • the system is configured so that the first inlet of the injector receives the working fluid at least partially in the liquid state and preferably in the liquid state only and in such a way that the second inlet of the injector receives the working fluid at least partially in the gaseous state and preferably in the gaseous state only.
  • the system comprises the first heat source, the first heat source being thermally coupled with a heat rejection circuit of a plant or engine.
  • the first heat exchanger is configured to heat the working fluid; the expander is configured to increase the pressure of the working fluid and the second heat exchanger is configured to cool the working fluid.
  • the injector is configured to increase the pressure of the working fluid.
  • the pump is configured to increase the pressure of the working fluid.
  • the system comprises an additional heat exchanger configured to transfer heat from the expander outlet working fluid to the working fluid located between the pump outlet and the inlet of the first exchange.
  • the additional exchanger acts as economizer. It makes it possible to use a portion of the energy remaining in the working fluid at the outlet of the expander to preheat the liquid at the outlet of the pump. This increases the efficiency of the installation.
  • the first heat exchanger comprises at least two heat exchangers each coupled to a heat source having a different temperature, one being configured to bring the working fluid into a sub-critical state (liquid) and the other, disposed downstream, being configured to bring the working fluid into a supercritical state.
  • An interest is to allow a better match between the working fluid and the first exchanger and thus to increase the efficiency of the exchanger, reducing the temperature nip between the heat source and the working fluid.
  • Pinch means the minimum temperature difference between the working fluid and the hot source.
  • a second interest is then to be able to possibly use two or more different hot springs that would have different temperatures and different flow rates.
  • the system is configured so that the fluid has a difference ( ⁇ ) between the temperature of the heat source and the critical temperature of the working fluid; said gap ( ⁇ ) being between 20 ° C and 70 ° C. This range makes it possible to have a particularly high yield.
  • the system comprises an energy conversion device configured to convert a mechanical movement produced by the expander into electrical or mechanical energy and configured so that the power provided by the conversion device energy is less than 100 kW.
  • the expander is a turbine, preferably kinetic.
  • the expander is a volumetric machine.
  • the expander is a volumetric machine, of the following type: a volumetric compressor operating as an expander.
  • the expander is a hermetic machine; said machine comprising the expander, a shaft and the alternator; the expander being connected to the shaft and the shaft being connected to the alternator.
  • Figure 2a illustrates an exemplary system according to the present invention. This system is particularly advantageous for a small power production (for example from a few kilowatts to a hundred kilowatts). It is configured to implement a Rankine thermodynamic cycle. It includes commonly used components:
  • This working fluid is advantageously refrigerant.
  • the working fluid is preferably organic which allows to reach a supercritical regime (also called supercritical) while maintaining relatively low pressure and temperature levels.
  • the working fluid is preferably selected from R410a, R134a, R227a, R245fa.
  • supercritical fluid is meant a fluid having reached a supercritical regime.
  • This first heat exchanger 1 10 is thermally coupled to a hot source 170, for example heated by heat discharges. Preferably it allows the fluid to reach a supercritical regime.
  • the first exchanger can thus be described as a supercritical exchanger. It allows the working fluid to exceed the critical temperature.
  • the critical temperature of the working fluid is, for example of the order of 70 ° C, for a working fluid of the refrigerant gas type R410a.
  • R410a is one of the most common refrigerants used to operate a heat pump.
  • R410a has the advantage of not being harmful to the ozone layer, while being energy efficient. In particular, it has a higher compression capacity and cooling capacity than many other refrigerants.
  • the critical temperature is, for example, of the order of: 101 ° C for the fluid R134a, 103 ° C for the fluid R227a and 154 ° C for the fluid R245fa.
  • volumetric compressor operating as an expander (volumetric) 120.
  • This expander 120 makes it possible to relax the fluid and to produce mechanical energy from this expansion. In one embodiment, this energy is recovered on a rotating shaft 190. This mechanical energy can then be recovered in electrical form at an alternator located on said rotating shaft 190.
  • the expander 120 is advantageously derived from a conventional volumetric compressor of the refrigeration industry.
  • a second heat exchanger 130 thermally coupled to a source colder than the hot source 170 and for cooling the working fluid. During this cooling, the saturation temperature is reached. The cooling is then accompanied by the phenomenon of condensation.
  • an injector 140 making it possible to define an intermediate level of pressure.
  • the injector comprises: at least two inputs, one for a first fluid and the other for a second fluid, usually gaseous, having a higher energy than the first fluid; at least one mixing chamber of the two fluids disposed downstream of the two inputs; at least one neck and then a divergent portion serving as a diffuser, disposed downstream of the mixing chamber and configured to allow the diffusion of the mixed fluid at the outlet of the mixing chamber.
  • the injector 140 thus makes it possible to increase the pressure of the first fluid and to supply a fluid at an intermediate pressure, that is to say at a pressure between those of the first and second fluids.
  • the operation of the injector 140 resides on a simple and passive principle: the second fluid (gaseous and coming from the output 1 10b of the first exchanger 1 10) at high energy drives a low-energy fluid (liquid and coming from the output 130b the second heat exchanger 130) and allows to raise the pressure of the latter without requiring a motor member such as a pump.
  • the intermediate pressure delivered by the injector 140 is for example of the order of a few bars above the level of the low pressure; said bass pressure around the ten bars.
  • the injector 140 also makes it possible to supply pressure having said intermediate level of pressure at the inlet 150a of the pump 150. The pump is thus relieved, which brings numerous advantages as will be detailed hereinafter.
  • the fluid at the outlet of the first exchanger 1 10 is in gaseous form and the inlet 140c of the injector 140 receives fluid in gaseous form only.
  • a pump 150 Preferably it allows the working fluid to relax the fluid and thus exceed the critical pressure.
  • the power of the pump 150 can be reduced through the use of the injector 140. It is thus in ranges of standard design, less restrictive. By reducing the total driving height required for the pump 150 from 400 meters to about 350 meters, the pump 150 is less complex and expensive. In addition, since the inlet pressure is higher, the risk of cavitation is reduced, which is less restrictive for the design of the pump 150.
  • the injector 140 is positioned so as to allow simplification of realization while optimizing the energy efficiency.
  • the output 140b of the injector 140 is connected to the inlet of the pump 150.
  • the second inlet 140c of the injector 140 is connected to the outlet 1 10b of the first exchanger 1 10.
  • the connection socket at the outlet 1 10b of the first exchanger 1 10 thus allows to introduce into the injector fluid having a high energy, especially a high pressure.
  • this configuration makes it possible to simplify the realization of the circuit.
  • the temperature of the hot source 170 is less than 200 ° C. and preferably less than 150 ° C. and the temperature of the cold source 180 is less than 50 ° C. and preferably of the order of 30 ° C.
  • the temperature of the cold source 180 is greater than the ambient temperature and more generally of the order of the ambient temperature.
  • the maximum temperature is that of the outlet of the expander 120, that is to say a little less than 150 ° C.
  • the minimum temperature is that of the output of the pump 150, that is to say a little higher than the ambient temperature.
  • the maximum temperature is that of the outlet of the turbine or other expander (120), that is to say intermediate, between the temperatures of the hot (150 ° C) and cold (30 ° C) sources.
  • the minimum temperature of the second exchanger 130 is that of the temperature of the cold source 180, that is to say, generally the ambient temperature.
  • the present invention makes it possible to reduce the power consumed by the pump 150. Indeed, in some organic Rankine cycles, the power consumed by the pump 150 is large enough to seek to reduce it drastically and thus increase the efficiency.
  • the injector 140 is also used to reduce the driving height to be provided by the pump 150.
  • Another advantage of the present invention is also to have a lower investment cost for the pump 150 which generally represents a significant part of the overall cost of the installation. This cost is directly related to the power of said pump 150. It is not generally strictly proportional to the power, but remains increasing with it.
  • a further advantage of the invention is also to reduce the risk of cavitation in the pump.
  • the inlet pressure in the pump 150 is higher in the case of the invention 150.
  • the margin for cavitation for a given installation is expressed by the difference between the inlet pressure minus the pressure of saturation vapor and a characteristic value of the pump 150 (NPSH: net positive suction head).
  • NPSH net positive suction head
  • the inlet pressure will be higher and the saturation vapor pressure will be only marginally affected.
  • the integration of the Clapeyron relationship leads to the estimation of an order of magnitude of the increase in saturated vapor pressure due to a temperature difference:
  • the system comprises an additional exchanger 230.
  • the additional exchanger 230 comprises a first inlet 231 fluidically connected to the outlet 120b of the expander 120 and a first outlet 231b fluidically connected to the the input 130a of the second heat exchanger 130.
  • the additional exchanger 230 comprises a second input 232a fluidly connected to the output 150b of the pump 150 and a second output 232b fluidly connected to the input 1 10a of the first heat exchanger 1 10.
  • This additional heat exchanger 230 makes it possible to use a portion of the energy remaining in the fluid after passing through the expander 120 to preheat the liquid at the outlet of the pump 150.
  • This additional heat exchanger 230 thus serves as an economizer.
  • the interest is a gain on the efficiency of the installation. It is an internal exchanger cycle: the working fluid exchange with itself.
  • the first exchanger 1 10, preferably of the hot exchanger type may be made of at least two distinct parts, for example using two exchangers 1 10 ', 1 10 ". 1 10 ', 1 10 ", designated primary exchanger 1 10' and secondary exchanger 1 10", are preferably connected in series, the inlet 1 10 'a of the primary exchanger 1 10' (corresponding to the inlet 1 10a of the first exchanger 1 10) is preferably fluidly connected to the outlet 150b of the pump 150.
  • the outlet 1 10'b of the primary exchanger 1 10 ' is preferably fluidly connected to the inlet 1 10 "a of the secondary heat exchanger 1 10 "
  • the output 1 10" b of the secondary heat exchanger 1 10 "(corresponding to the outlet 1 10b of the first heat exchanger 1 10) is fluidly connected to the inlet 120a of the expander 120.
  • the heat exchangers primary 1 10 'and secondary 1 10 "forming the first exchanger 1 10 are coupled thermally each to the same heat source 170.
  • one of the exchangers 1 10 ' is used to heat the fluid under subcritical conditions, while the other 1 10' is used to make the complement.
  • the first interest is to allow a better match between the working fluid and the first exchanger 1 10 and thus increase the efficiency of the exchanger, reducing the temperature nip between the heat source 170 and the working fluid.
  • the second interest is then to possibly be able to use two different exchangers 1 10 ', 1 10 ", as illustrated in FIG. 2d, which would have different temperatures thanks to different heat sources 170, 270 and different flow rates.
  • FIG. 2d two different exchangers 1 10 ', 1 10 "
  • the inlet 1 10 'a of the primary exchanger 1 10' (corresponding to the inlet 1 10a of the first exchanger 1 10) is preferably fluidly connected to the outlet 150b of the pump 150.
  • Outlet 1 10 'b of the primary exchanger 1 10' is preferably fluidly connected to the inlet 1 10 "a of the secondary exchanger 1 10"
  • the outlet 1 10 "b of the secondary exchanger 1 10" ( corresponding to the output 1 10b of the first exchanger 1 10) is fluidly connected to the inlet 120a of the expander 120.
  • the primary exchanger 1 10 'and secondary 1 10 "forming the first exchanger 1 10 does not are thermally coupled to the same The heat exchanger 170.
  • the primary heat exchanger 110 ' is thermally coupled to a primary heat source 270 and the secondary heat exchanger 110' is thermally coupled to a secondary heat source 170.
  • the temperature of the hot source being given the working fluid will be chosen optimally to best match the characteristics of the first exchanger 1 10 and in particular the temperature of the hot fluid of the first exchanger 1 10.
  • the critical temperature of the working fluid chosen is slightly lower than the temperature of the hot fluid of this first exchanger 1 10.
  • the fluid has a difference ( ⁇ ) between the temperature of the heat source 170 of the first exchanger 1 10 and the critical temperature of the working fluid; said gap ( ⁇ ) being between 20 ° C and 70 ° C. This range makes it possible to have a particularly high yield.
  • FIG. 3 illustrates a particular embodiment in which the system comprises a hermetic expander 300 composed of the expander 120, the shaft 190 and the alternator 200 and a cooling circuit of the hermetic assembly.
  • the cooling circuit is connected on the one hand to the output 140b of the injector 140 and on the other hand to the outlet 120b of the expander 120.
  • It comprises a third heat exchanger 160 whose input 160a is connected to the output 140b of the injector 140 and whose output 160b is connected to the output 120b of the expander 120.
  • the system is configured so that the outlet pressure 160b of the third exchanger 160 is greater than the outlet pressure of the expander 120, thus ensuring that the fluid flows well through the third exchanger 160 from its outlet 160a to its inlet 160b .
  • the injector 140 there is thus a cold fluid having an increased pressure without introducing an additional pump. A portion of this cold fluid is thus recovered at the outlet 140b of the injector 140 and can be used to cool an auxiliary member such as for example a motor or an energy conversion device coupled to the expander 120.
  • the The system is equipped with an alternator 200 serving as an energy conversion device to convert the mechanical movement of the expander 120 into electricity, most often in the form of a volumetric expander.
  • the third heat exchanger 160 is configured to cool the hermetic expander 300 to an acceptable temperature level. For example, it is traversed by a heat transfer fluid that keeps the temperature of the hermetic expander to an acceptable level.
  • the invention thus provides an effective solution to increase the overall efficiency of the system without decreasing its reliability and stability.
  • the cooling circuit makes it particularly advantageous to cool, for example, an alternator 200 or a motor operating in reverse mode (in the case of a compressor operating as an expander) comprising a stator. 210.
  • the third heat exchanger 160 allows cooling, thanks to to the working fluid taken at the outlet 140b of the injector 140, a fluid circulated around the stator 210.
  • One of the advantages of the invention is thus to have an intermediate pressure level for the auxiliary members such as an alternator or a motor. Indeed, if we had only the high level to supply a cooling circuit, we would consume work done in the pump 150. With the injector 140, cold fluid is available without significantly impacting the pump 150.
  • the power of the first exchanger 1 10 is 150kW; the working fluid is preferably R134a (one of the main constituents of this fluid is, for example, 1, 1, 1, 2-tetrafluoroethane); the maximum pressure is 50 bar; the maximum temperature is 130 ° C; the minimum pressure is 10.17 bars; the minimum temperature is 30 ° C; the gross power of 16.9 kW; the power to be evacuated by the 2kW cooling system; the cooling temperature 76.3 ° C; the ratio of the drive flow rate is 20. This ratio corresponds to the ratio between the steam flow rate and the liquid flow rate. It is measured, for example, using two flow meters.
  • R134a one of the main constituents of this fluid is, for example, 1, 1, 1, 2-tetrafluoroethane
  • the maximum pressure is 50 bar
  • the maximum temperature is 130 ° C
  • the minimum pressure is 10.17 bars
  • the minimum temperature is 30 ° C
  • the gross power of 16.9 kW the power to be evacuated by the 2kW cooling system
  • the efficiency of the injector 140 is 34.73%.
  • This report can be evaluated from a thermal balance of the installation. It will be recalled that exergy in thermodynamics is defined as being a quantity for measuring the quality of an energy.
  • the injector 140 comprises:
  • At least two inputs 141, 142 each forming a nozzle, one for a first fluid and the other for a second fluid having a higher pressure than the first fluid;
  • At least one mixing chamber 143 the section of which is preferably convergent
  • This ratio corresponds to the ratio between the steam flow rate and the liquid flow rate. It is measured, for example, using two flow meters.
  • This yield corresponds to the exergy yield, that is to say to the ratio between the exergy at the outlet of the injector and the exergy upstream of it. It can be evaluated from a thermal balance of the installation.
  • the first heat exchanger 110 that is, the hot heat exchanger, allows the working fluid to absorb the calories of a heat rejection fluid.
  • the hot fluid is the thermal discharge fluid and the cold fluid is the working fluid.
  • the second heat exchanger 130 that is to say the cold exchanger, allows the working fluid to evacuate its calories.
  • the hot fluid is therefore the working fluid.
  • the cold fluid can be water.
  • the expander 120 is preferably of the volumetric expander type.
  • the expander 120 is preferably a hermetic scroll compressor. Numerical values relating to the expander 120 are shown in Table 4, by way of non-limiting example of the invention.
  • the expander 120 is associated with a power conversion device such as an alternator 200.
  • the pump 150 is preferably a positive displacement pump. Numerical values relating to the pump 150 are shown in Table 5, by way of non-limiting example of the invention.
  • the present invention Due to the use and in particular the positioning of the injector 140 in the circuit, the present invention has better performance than known solutions while having a high reliability and complexity that remains limited.
  • use may be made of such methods for generating electrical energy in the processing industry (metallurgy, chemistry, paper mill) with low-temperature heat rejection, transport with a heat engine ( automobile, boat), solar concentrating, or biomass.
  • the pump output is directly connected to the inlet of the first exchanger.
  • the output of the first exchanger is directly connected to the second input of the injector.
  • the injector outlet is directly connected to the pump inlet.
  • a directly connected to B means that the connection is direct and that there is no other intermediate member (pump, exchanger, valve, injector, expander etc.) between A and B

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Abstract

L'invention concerne notamment un système de production d'énergie électrique ou mécanique comprenant un circuit fluidique dans lequel circule un fluide de travail organique et comprenant une pluralité d'organes traversés par le fluide de travail et parmi lesquels : au moins un premier échangeur de chaleur (110) configuré pour être couplé thermiquement à au moins une première source de chaleur (170), un expanseur (120) dont une entrée (120a) est fluidiquement raccordée à une sortie (110b) du premier échangeur (110), un deuxième échangeur de chaleur (130) configuré pour être couplé thermiquement à une deuxième source de chaleur (180) plus froide que la première source de chaleur (170) et au moins une pompe (150) configurée pour mettre en mouvement le fluide de travail dans le circuit fluidique, le circuit étant configuré de manière à ce que le fluide de travail passe successivement par au moins la pompe (150), le premier échangeur (110), l'expanseur (120) et le deuxième échangeur (130), puis à nouveau la pompe (150); où le système comprend un injecteur (140) comprenant : - une première entrée (140a) fluidiquement raccordée à une sortie (130b) du deuxième échangeur de chaleur (130); - une deuxième entrée (140c) fluidiquement raccordée à la sortie (110b) du premier échangeur (110); - une sortie (140b) fluidiquement raccordée à une entrée (150a) de la pompe (150).

Description

"Système de production d'énergie basée sur un cycle de Rankine "
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne les systèmes de production d'énergie électrique ou mécanique.
Elle trouve pour application avantageuse les systèmes de production d'énergie de petite puissance, faisant appel à un cycle thermodynamique de Rankine. Elle s'appliquera par exemple à la production d'énergie à partir des rejets thermiques produits par des usines, par des moteurs de véhicules ou à partir de la chaleur issue de systèmes récupérant de l'énergie solaire ou issue de la biomasse.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
Il existe de nombreuses solutions pour produire de l'électricité ou une énergie mécanique à partir d'une source de chaleur.
Certaines de ces solutions sont décrites dans les documents suivants : CN103775145, JP H05 1 18206, DE 10 2009 031 15.
Parmi les solutions connues figurent les machines génératrices basées sur un cycle de Rankine. Les cycles de Rankine reposent tous sur des transformations comprenant successivement: le pompage d'un fluide de travail sous forme liquide, la création de vapeur et sa surchauffe éventuelle, la détente de la vapeur pour générer un mouvement et la condensation de la vapeur. Le fluide de travail peut être choisi parmi l'eau, le dioxyde de carbone ou un fluide organique. Dans le dernier cas, on parle de cycle organique de Rankine. La majorité des systèmes de production électrique thermique sont basés sur l'utilisation de tels cycles.
Une machine reposant sur un cycle de Rankine, est, de manière connue, constituée de quatre organes principaux, à savoir :
- une pompe permettant la mise en circulation du fluide et la remontée de sa pression ;
- un échangeur chaud exploitant la source de chaleur disponible à valoriser ;
- un expanseur ou organe de détente transformant la variation d'enthalpie du fluide en travail mécanique, puis en travail électrique en présence d'une génératrice également désignée alternateur ;
- un échangeur froid permettant la condensation de la vapeur restante après détente.
C'est sur ce type de cycle thermodynamique que se base la majorité des centrales nucléaires, des centrales thermiques à charbon, ou encore des centrales thermiques à fuel lourd, afin de produire des puissances élevées. Pour ces applications, les sources chaudes présentent une puissance et une température très élevées.
Les industries de transformation, par exemple la métallurgie, la chimie ou encore la papeterie, génèrent des rejets thermiques à basse température, c'est-à-dire des rejets thermiques dont la température est le plus souvent inférieure à 200°C voire inférieure à 150°C. Les systèmes basés sur un cycle de Rankine permettraient théoriquement de produire de l'énergie électrique ou mécanique à partir de ces rejets thermiques. Cependant, les puissances qui pourraient être produites seraient alors relativement faibles, typiquement de l'ordre de quelques kilowatts à une centaine de kilowatts pour des rejets thermiques inférieurs au mégawatt, à cause du rendement thermodynamique faible.
A ces niveaux de températures et de puissances il n'existe à ce jour aucune solution de valorisation réellement satisfaisante, en raison des investissements nécessaires et des rendements de conversion qui ne sont pas considérés comme suffisants. Ces rejets thermiques à basse température sont alors en pratique peu exploités et valorisés. Il en est de même pour la chaleur produite par les moteurs thermiques de véhicules terrestres ou nautiques.
Une solution a été décrite dans le document CN102562179. La figure 1 illustre le système selon cet art antérieur. Il s'agit dans ce cas d'un cycle sous-critique. Ce circuit comprend une pompe 150, un échangeur chaud 1 10, un expanseur 120 et un échangeur froid 130 disposés de manière à effectuer un cycle de Rankine comme indiqué ci-dessus. Par ailleurs, le circuit comprend un injecteur 100 et une pompe additionnelle 152. La sortie de l'injecteur 100 est connectée à l'entrée de l'échangeur froid 130 (condenseur). Les deux entrées de l'injecteur 100 sont connectées d'une part à la sortie de l'expanseur 120 et d'autre part à la sortie de la pompe additionnelle 152 dont l'entrée est connectée à la sortie de l'échangeur froid 130.
L'utilisation de cette deuxième pompe 152 en entrée d'injecteur 100 complexifie l'installation et réduit le rendement global.
Il existe donc un besoin consistant à proposer une solution permettant de valoriser plus aisément les sources chaudes présentant une température possiblement peu élevée. Plus précisément, il existe un besoin consistant à proposer un système présentant un coût moindre à rendement sensiblement égal ou amélioré et ceci en particulier pour des sources chaudes aux températures relativement faibles.
RESUME DE L'INVENTION
La présente invention concerne un système de production d'énergie électrique ou mécanique comprenant un circuit fluidique dans lequel circule un fluide de travail organique et comprenant une pluralité d'organes traversés par le fluide de travail et parmi lesquels : au moins un premier échangeur de chaleur configuré pour être couplé thermiquement à au moins une première source de chaleur, un expanseur dont une entrée est fluidiquement raccordée à une sortie du premier échangeur, un deuxième échangeur de chaleur configuré pour être couplé thermiquement à une deuxième source de chaleur plus froide que la première source de chaleur et une pompe, le circuit étant configuré de manière à ce que le fluide de travail mis en mouvement par la pompe passe successivement par au moins la pompe, le premier échangeur, l'expanseur et le deuxième échangeur, puis à nouveau la pompe.
Avantageusement, le système comprend un injecteur comprenant : une première entrée fluidiquement raccordée à une sortie du deuxième échangeur de chaleur, une deuxième entrée fluidiquement raccordée à la sortie du premier échangeur et une sortie fluidiquement raccordée à une entrée de ladite pompe.
Avantageusement, le système est configuré de manière à ce que la deuxième entrée de l'injecteur soit fluidiquement connectée en aval du premier échangeur et strictement en amont de l'expanseur. L'amont et l'aval en un point donné sont pris en référence au sens de circulation du fluide dans le circuit. Ainsi la deuxième entrée de l'injecteur est fluidiquement connectée entre la sortie du premier échangeur et l'entrée de l'expanseur. L'invention permet ainsi de rehausser la pression du fluide de travail en entrée de pompe. Cela permet de la soulager et donc de réduire sa consommation. Par ailleurs, le prix et la complexité d'une pompe augmentant significativement avec la puissance qu'elle doit développer, l'invention permet, pour un rendement identique ou sensiblement identique, de réduire significativement le prix et la complexité de la pompe.
En outre, le circuit proposé par l'invention permet d'augmenter la marge à la cavitation au niveau de la pompe, rendant le système plus fiable et réduisant l'usure de la pompe.
L'invention propose ainsi une solution efficace pour valoriser les rejets thermiques présentant des températures relativement basses.
Avantageusement, la deuxième entrée de l'injecteur est fluidiquement connectée en aval du premier échangeur et strictement en amont de l'expanseur. Ainsi selon ce mode de réalisation la deuxième entrée de l'injecteur n'est pas connectée en aval de l'expanseur ou à l'expanseur lui-même, par exemple un étage intermédiaire de ce dernier.
De préférence, le système est configuré de manière à ce qu'en sortie du premier échangeur le fluide de travail est amené dans un état supercritique.
De manière conventionnelle, on qualifie d'état supercritique l'état d'un fluide chauffé au-delà de sa température critique et comprimé au-dessus de sa pression critique. De manière connue, les propriétés physiques d'un fluide supercritique (densité, viscosité, diffusivité) sont souvent intermédiaires entre celles des liquides et celles des gaz.
Ainsi, le système est configuré de manière à ce que la pression et la température du fluide de travail en sortie du premier échangeur soient supérieures aux pressions et températures critiques du fluide de travail. Selon un mode de réalisation avantageux, le fluide est ainsi amené au-delà de son point critique. Le système fonctionne alors selon un cycle de Rankine supercritique. La différence de température entre le fluide de travail et la source chaude est alors moindre entraînant de ce fait une dissipation énergétique moins élevée. L'efficacité globale du système est alors améliorée tout en conservant une fiabilité élevée et une complexité limitée.
Selon un mode de réalisation avantageux mais non limitatif, le fluide de travail est un fluide organique. Ce type de fluide permet d'atteindre un régime supercritique même à des températures relativement basses en sortie d'échangeur chaud. On entend par fluide organique, un fluide composé de molécules ou d'un mélange de molécules constituées d'atomes de carbone, d'hydrogène et éventuellement d'autres atomes tels que par exemple l'oxygène, le fluor, l'azote, le chlore, le brome.
Dans un autre mode de réalisation, le fluide de travail n'est pas un fluide organique.
Dans la présente description, l'expression « A fluidiquement raccordée à B» ne signifie pas nécessairement qu'il n'existe pas d'organe entre A et B. La présente invention concerne également un procédé pour produire de l'énergie électrique ou mécanique à partir du système selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant au moins les étapes suivantes:
- une étape de montée en pression du fluide de travail au travers de la pompe,
- une étape de chauffage du fluide de travail au travers du premier échangeur de chaleur,
- une étape de détente d'une première partie du fluide de travail issu du premier échangeur au travers de l'expanseur,
- une étape de refroidissement de la première partie du fluide au travers du deuxième échangeur de chaleur.
Le procédé comprend avantageusement les étapes suivantes au sein de l'injecteur :
- une étape de détente d'une deuxième partie du fluide de travail issue du premier échangeur au travers de l'injecteur,
- une étape de mélange au sein de l'injecteur du fluide de travail issu de la sortie du deuxième échangeur et de ladite deuxième partie du fluide de travail issue du premier échangeur, de manière à fournir en sortie d'injecteur un fluide mélangé présentant une pression supérieure à celle du fluide de travail issu de la sortie du deuxième échangeur.
Optionnellement, le procédé peut présenter l'une quelconque des caractéristiques et étapes facultatives énoncées ci-dessous qui peuvent être prises séparément ou en combinaison :
Le procédé comprend une étape de refroidissement d'un fluide de refroidissement couplé thermiquement au fluide de travail par un troisième échangeur de chaleur, le fluide de travail circulant dans le troisième échangeur de chaleur étant prélevé à la sortie de l'injecteur et réinjecté au niveau de la sortie de l'expanseur.
Le fluide de refroidissement refroidit un alternateur couplé à l'expanseur.
De manière particulièrement avantageuse, l'invention permet de rentabiliser l'utilisation de rejets thermiques à basse température, tout en nécessitant peu de moyens énergétiques. En outre, la présente invention propose un système simplifié, peu coûteux, de faible consommation énergétique, tout en présentant un rendement énergétique amélioré sans toutefois surcharger la pompe, ni augmenter le coût et la complexité du système. BREVE INTRODUCTION DES FIGURES
Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description détaillée d'un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d'accompagnement suivants dans lesquels :
La FIGURE 1 illustre un système réalisé à partir d'un cycle de Rankine selon l'art antérieur.
La FIGURE 2a illustre un exemple de système selon la présente invention, le système comprenant un injecteur dont l'une des deux entrées est fluidiquement connectée à la sortie d'un premier échangeur de chaleur.
La FIGURE 2b illustre un mode de réalisation pour lequel le système comprend un échangeur additionnel.
La FIGURE 2c illustre un autre mode de réalisation pour lequel le premier échangeur comprend deux échangeurs distincts.
La FIGURE 2d illustre un autre mode de réalisation pour lequel les échangeurs distincts possèdent des températures et des débits différents.
La FIGURE 3 illustre un système selon la présente invention comprenant un circuit de refroidissement additionnel. La FIGURE 4 représente une vue en coupe illustrant le principe de refroidissement du stator d'un système de conversion d'énergie tel qu'un alternateur.
La FIGURE 5 est une vue en coupe d'un exemple d'injecteur qui peut être utilisé dans le cadre des différents modes de réalisation de l'invention.
Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l'invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l'invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques.
DESCRIPTION DETAILLEE
Avant d'entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l'invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement :
- Selon un mode de réalisation, le système comprend un circuit de refroidissement monté en parallèle par rapport à l'injecteur et au deuxième échangeur, le circuit de refroidissement étant fluidiquement raccordé d'une part à la sortie de l'injecteur et d'autre part à la sortie de l'expanseur.
Ainsi, le circuit de refroidissement est alimenté par une partie du fluide de travail qui est prélevée en sortie de l'injecteur. Sa pression est donc augmentée.
Selon un mode de réalisation, le système comprend un dispositif de conversion d'énergie configuré pour convertir un mouvement mécanique produit par l'expanseur en électricité ou en un autre mouvement mécanique. Le circuit de refroidissement comprend un troisième échangeur de chaleur thermiquement couplé avec une troisième source de chaleur échangeant de la chaleur avec le dispositif de conversion d'énergie, le système étant configuré de manière à ce que la pression en sortie du troisième échangeur soit supérieure à la pression à la sortie de l'expanseur.
Selon un mode de réalisation, le dispositif de conversion d'énergie comprend un alternateur configuré pour convertir le mouvement mécanique produit par l'expanseur en électricité et la troisième source de chaleur comprend un circuit couplé thermiquement avec l'alternateur.
Ainsi, la troisième source de chaleur absorbe les calories produites par l'alternateur. Une partie des calories absorbées par la troisième source de chaleur est ensuite absorbée par le fluide de travail circulant dans le troisième échangeur. Selon un mode de réalisation, l'alternateur comprend un stator et la troisième source de chaleur comprend un circuit fluidique au contact du stator et enfermant un fluide caloporteur.
Selon un mode de réalisation, le premier échangeur de chaleur comprend au moins un échangeur primaire et un échangeur secondaire. L'entrée de l'échangeur primaire (correspondant à l'entrée du premier échangeur) est de préférence raccordée fluidiquement à la sortie de la pompe. La sortie de l'échangeur primaire est de préférence raccordée fluidiquement à l'entrée de l'échangeur secondaire. La sortie de l'échangeur secondaire (correspondant à la sortie du premier échangeur) est fluidiquement raccordée à l'entrée de l'expanseur.
Selon un mode de réalisation, l'échangeur primaire et l'échangeur secondaire sont configurés pour être chacun couplés thermiquement à une même source de chaleur.
Selon un mode de réalisation, l'échangeur primaire est configuré pour être couplé thermiquement à une source de chaleur primaire et l'échangeur secondaire est configuré pour être couplé thermiquement à une source de chaleur secondaire distincte de la source de chaleur primaire.
Selon un mode de réalisation, le premier échangeur est configuré pour amener à sa sortie le fluide de travail à une température inférieure à 200°C et de préférence inférieure à 150°C.
Selon un mode de réalisation, le circuit est configuré de manière à ce que la température du fluide de travail en sortie du premier échangeur soit comprise entre la température ambiante et 200°C et de préférence entre la température ambiante et 150°C.
- Selon un mode de réalisation, le système comprend la source chaude. La source chaude et le premier échangeur sont configurés pour fournir à la sortie du premier échangeur une température pour le fluide de travail inférieure à 200°C et de préférence inférieure à 150°C.
Selon un mode de réalisation, le deuxième échangeur est configuré pour amener à sa sortie le fluide de travail à une température comprise entre la température ambiante et 150°C, la température du fluide de travail en sortie du deuxième échangeur étant inférieure à la température du fluide de travail en sortie du premier échangeur.
Selon un mode de réalisation, le système est configuré de manière à ce que la pression et la température du fluide de travail en sortie du premier échangeur soient supérieures aux pression et température critiques du fluide de travail. Selon un mode de réalisation, le fluide de travail est frigorigène et choisi parmi le R410a, le R134a, le R227ea, ou le R245fa. Ces fluides permettent d'atteindre un régime supercritique avec des sources chaudes aux températures inférieures à 200°C. Ils sont donc particulièrement avantageux pour produire de l'énergie à partir de rejets thermiques d'usines ou de moteurs thermiques.
Selon un mode de réalisation, le système est configuré de manière à ce que la première entrée de l'injecteur reçoive le fluide de travail au moins partiellement à l'état liquide et de préférence à l'état liquide uniquement et de manière à ce que la deuxième entrée de l'injecteur reçoive le fluide de travail au moins partiellement à l'état gazeux et de préférence à l'état gazeux uniquement.
Selon un mode de réalisation, le système comprend la première source de chaleur, la première source de chaleur étant couplée thermiquement avec un circuit de rejet thermique d'une usine ou d'un moteur.
Selon un mode de réalisation, le premier échangeur de chaleur est configuré de sorte à chauffer le fluide de travail ; l'expanseur est configuré de sorte à augmenter la pression du fluide de travail et le deuxième échangeur de chaleur est configuré de sorte à refroidir le fluide de travail. L'injecteur est configuré de sorte à augmenter la pression du fluide de travail. La pompe est configurée de sorte à augmenter la pression du fluide de travail.
- Selon un mode de réalisation, le système comprend un échangeur additionnel configuré pour transférer de la chaleur depuis le fluide de travail en sortie d'expanseur au fluide de travail situé entre la sortie de la pompe et l'entrée du premier échanger. Ainsi, l'échangeur additionnel fait office d'économiseur. Il permet d'utiliser une partie de l'énergie restante dans le fluide de travail en sortie d'expanseur pour préchauffer le liquide à la sortie de la pompe. Cela permet d'augmenter le rendement de l'installation.
Selon un mode de réalisation, le premier échangeur de chaleur comprend au moins deux échangeurs de chaleur couplés chacun à une source de chaleur présentant une température différente, l'un étant configuré pour amener le fluide de travail dans un état sous-critique (liquide) et l'autre, disposé en aval, étant configuré pour amener le fluide de travail dans un état supercritique.
Un intérêt est de permettre une meilleure adéquation entre le fluide de travail et le premier échangeur et ainsi d'augmenter l'efficacité de l'échangeur, en réduisant le pincement en température entre la source de chaleur et le fluide de travail. On entend par pincement (en anglais « pinch »), la différence de température minimale entre le fluide de travail et la source chaude. Un deuxième intérêt est ensuite de pouvoir éventuellement utiliser deux ou plus sources chaudes différentes qui auraient des températures différentes et des débits différents.
Selon un mode de réalisation, le système est configuré de manière à ce que le fluide présente un écart (Δ) entre la température de la source de chaleur et la température critique du fluide de travail ; ledit écart (Δ) étant compris entre 20°C et 70°C. Cette gamme permet d'avoir un rendement particulièrement élevé.
Selon un mode de réalisation, le système comprend un dispositif de conversion d'énergie configuré pour convertir un mouvement mécanique produit par l'expanseur en une énergie électrique ou mécanique et configuré de manière à ce que la puissance fournie par le dispositif de conversion d'énergie soit inférieure à 100 kW.
Selon un mode de réalisation, l'expanseur est une turbine, de préférence cinétique.
Selon un mode de réalisation, l'expanseur est une machine volumétrique.
Selon un mode de réalisation, l'expanseur est une machine volumétrique, du type suivant : un compresseur volumétrique fonctionnant en expanseur.
Selon un mode de réalisation, l'expanseur est une machine hermétique ; ladite machine comprenant l'expanseur, un arbre et l'alternateur; l'expanseur étant raccordé à l'arbre et l'arbre étant raccordé à l'alternateur. La figure 2a illustre un exemple de système selon la présente invention. Ce système est particulièrement avantageux pour une production électrique de petite puissance (par exemple de quelques kilowatts à une centaine de kilowatts). Il est configuré de manière à mettre en œuvre un cycle thermodynamique de Rankine. Il comprend des composants couramment utilisés :
- un fluide de travail. Ce fluide de travail est avantageusement frigorigène. Le fluide de travail est de préférence organique ce qui permet d'atteindre un régime supercritique (également désigné supercritique) tout en conservant des niveaux de pression et de température relativement limités. Le fluide de travail est de préférence choisi parmi le R410a, le R134a, le R227a, le R245fa. On entend par fluide supercritique, un fluide ayant atteint un régime supercritique.
- un premier échangeur 1 10. Ce premier échangeur 1 10 est thermiquement couplé à une source chaude 170, par exemple chauffée par les rejets thermiques. De préférence il permet au fluide d'atteindre un régime supercritique. Le premier échangeur peut ainsi être qualifié d'échangeur supercritique. Il permet au fluide de travail de dépasser la température critique. La température critique du fluide de travail est, par exemple de l'ordre de 70°C, pour un fluide de travail de type gaz réfrigérant R410a. Le R410a est l'un des fluides frigorigènes les plus fréquemment utilisés pour faire fonctionner une pompe à chaleur. Le R410a présente l'avantage de ne pas être nocif pour la couche d'ozone, tout en présentant un bon rendement énergétique. Il a notamment une capacité de compression et une puissance frigorifique plus élevées que beaucoup d'autres fluides frigorigènes. Il augmente donc non seulement les possibilités de chauffage (même à basse température) mais également de refroidissement. La température critique est, par exemple, de l'ordre de : 101 °C pour le fluide R134a, 103°C pour le fluide R227a et 154°C pour le fluide R245fa.
- un compresseur volumétrique fonctionnant en expanseur (volumétrique) 120. Cet expanseur 120 permet de détendre le fluide et de produire une énergie mécanique à partir de cette détente. Dans un mode de réalisation, cette énergie est récupérée sur un arbre 190 tournant.. Cette énergie mécanique peut ensuite être récupérée sous forme électrique au niveau d'un l'alternateur situé sur ledit arbre 190 tournant. L'expanseur 120 est avantageusement dérivé d'un compresseur volumétrique conventionnel de l'industrie frigorifique.
- un deuxième échangeur de chaleur 130 thermiquement couplé à une source plus froide que la source chaude 170 et permettant de refroidir le fluide de travail. Lors de ce refroidissement, la température de saturation est atteinte. Le refroidissement s'accompagne dès lors du phénomène de condensation.
- un injecteur 140 permettant de définir un niveau intermédiaire de pression.
L'injecteur comprend : au moins deux entrées, l'une pour un premier fluide et l'autre pour un deuxième fluide, le plus souvent gazeux, présentant une énergie plus élevée que le premier fluide; au moins une chambre de mélange des deux fluides disposée en aval des deux entrées; au moins un col puis une portion divergente faisant office de diffuseur, disposée en aval de la chambre de mélange et configurée pour permettre la diffusion du fluide mélangé en sortie de chambre de mélange. L'injecteur 140 permet ainsi d'augmenter la pression du premier fluide et de fournir un fluide à une pression intermédiaire, c'est-à-dire à une pression comprise entre celles des premier et deuxième fluides.
Le fonctionnement de l'injecteur 140 réside sur un principe simple et passif : le deuxième fluide (gazeux et provenant de la sortie 1 10b du premier échangeur 1 10) à haute énergie entraîne un fluide à basse énergie (liquide et provenant de la sortie 130b du deuxième échangeur 130) et permet de relever la pression de ce dernier sans nécessiter d'organe moteur tel qu'une pompe.
La pression intermédiaire délivrée par l'injecteur 140 est par exemple de l'ordre de quelques bars au-dessus du niveau de la basse pression ; ladite basse pression se situant autour de la dizaine de bars. L'injecteur 140 permet en outre d'apporter de la pression présentant ledit niveau intermédiaire de pression, à l'entrée 150a de la pompe 150. La pompe est ainsi soulagée ce qui apporte de nombreux avantages comme cela sera détaillé par la suite. De préférence le fluide en sortie du premier échangeur 1 10 est sous forme gazeux et l'entrée 140c de l'injecteur 140 reçoit du fluide sous forme gazeuse uniquement.
- une pompe 150. De préférence elle permet au fluide de travail de détendre le fluide et de dépasser ainsi la pression critique. La puissance de la pompe 150 peut être réduite grâce à l'utilisation de l'injecteur 140. Elle se trouve ainsi dans des gammes de conception standard, moins contraignante. En réduisant la hauteur motrice totale nécessaire à la pompe 150 de 400 mètres à 350 mètres environ, la pompe 150 est moins complexe et coûteuse. De plus, puisque la pression d'entrée est plus élevée, les risques de cavitation sont réduits, ce qui est moins contraignant pour la conception de la pompe 150.
Avantageusement, dans le circuit selon la présente invention, l'injecteur 140 est positionné de sorte à permettre une simplification de réalisation tout en optimisant le rendement énergétique. Pour ce faire, la sortie 140b de l'injecteur 140 est connectée à l'entrée de la pompe 150. Cela permet d'augmenter la pression du fluide de travail avant l'entrée dans la pompe 150 afin de réduire l'apport énergétique que nécessite ladite pompe 150. De manière particulièrement avantageuse, la deuxième entrée 140c de l'injecteur 140 est raccordée à la sortie 1 10b du premier échangeur 1 10. La prise de raccordement au niveau de la sortie 1 10b du premier échangeur 1 10 permet ainsi d'introduire dans l'injecteur du fluide présentant une grande énergie, notamment une pression élevée. Par ailleurs, cette configuration permet de simplifier la réalisation du circuit.
Selon un mode de réalisation particulier, la température de la source chaude 170 est inférieure à 200°C et de préférence inférieure à 150°C et la température de la source froide 180 est inférieure à 50°C et de préférence de l'ordre de 30°C. De préférence, la température de la source froide 180 est supérieure à la température ambiante et plus généralement de l'ordre de la température ambiante.
Pour le premier échangeur 1 10, c'est-à-dire l'échangeur chaud, la température maximale est celle de la sortie de l'expanseur 120, c'est-à-dire un peu moins de 150°C. La température minimale est celle de la sortie de la pompe 150, c'est-à-dire un peu plus haut que la température ambiante.
Pour le deuxième échangeur 130, c'est-à-dire l'échangeur froid, la température maximale est celle de la sortie de la turbine ou autre expanseur (120), c'est-à-dire intermédiaire, comprise entre les températures des sources chaude (150°C) et froide (30°C). La température minimale du deuxième échangeur 130 est celle de la température de la source froide 180, c'est-à-dire, en général la température ambiante. Le principe à la base de l'invention procure de nombreux avantages.
Notamment, la présente invention permet de diminuer la puissance consommée par la pompe 150. En effet, dans certains cycles organiques de Rankine, la puissance consommée par la pompe 150 est suffisamment importante pour chercher à la réduire drastiquement et donc augmenter le rendement. Dans l'invention, l'injecteur 140 est également utilisé pour réduire la hauteur motrice à assurer par la pompe 150.
Un autre intérêt de la présente invention est aussi d'avoir un coût d'investissement plus faible pour la pompe 150 qui représente généralement une part significative du coût global de l'installation. Ce coût est directement lié à la puissance de ladite pompe 150. Il n'est en général pas rigoureusement proportionnel à la puissance, mais reste croissant avec celle-ci.
Un intérêt supplémentaire de l'invention est aussi de diminuer le risque de cavitation dans la pompe. La pression d'entrée dans la pompe 150 est plus élevée dans le cas de l'invention 150. En effet, la marge à la cavitation pour une installation donnée s'exprime par l'écart entre la pression d'entrée moins la pression de vapeur saturante et une valeur caractéristique de la pompe 150 (NPSH : net positive suction head). Dans le cas de l'invention, la pression d'entrée sera plus élevée et la pression de vapeur saturante ne sera que marginalement affectée. En effet, l'intégration de la relation de Clapeyron permet d'aboutir à l'estimation d'un ordre de grandeur de l'augmentation de la pression de vapeur saturante due à un écart de température :
AP/P~L/((Cp,vap-Cv,vap)T)AT/T Cet écart ΔΡ/Ρ est de l'ordre de quelques ΔΤ/Τ, alors qu'il a été constaté que l'injecteur 140 connecté comme le prévoit l'invention peut faire gagner jusqu'à 50% en pression d'entrée. Selon un mode de réalisation particulier illustré en figure 2b, le système comprend un échangeur additionnel 230. L'échangeur additionnel 230 comprend une première entrée 231 a fluidiquement raccordée à la sortie 120b de l'expanseur 120 et une première sortie 231 b fluidiquement raccordée à l'entrée 130a du deuxième échangeur de chaleur 130. L'échangeur additionnel 230 comprend une deuxième entrée 232a fluidiquement raccordée à la sortie 150b de la pompe 150 et une deuxième sortie 232b fluidiquement raccordée à l'entrée 1 10a du premier échangeur de chaleur 1 10.
Cet échangeur additionnel 230 permet d'utiliser une partie de l'énergie restante dans le fluide après le passage dans l'expanseur 120 pour préchauffer le liquide à la sortie de la pompe 150. Cet échangeur additionnel 230 fait ainsi office d'économiseur. L'intérêt est un gain sur le rendement de l'installation. Il s'agit d'un échangeur interne au cycle : le fluide de travail échange avec lui-même.
Selon un autre mode de réalisation illustré en figure 2c, le premier échangeur 1 10, de préférence de type échangeur chaud, peut être réalisé en au moins deux parties distinctes, en utilisant par exemple deux échangeurs 1 10', 1 10". Les échangeurs 1 10', 1 10", désignés échangeur primaire 1 10' et échangeur secondaire 1 10", sont de préférence raccordés en série. L'entrée 1 10'a de l'échangeur primaire 1 10' (correspondant à l'entrée 1 10a du premier échangeur 1 10) est de préférence raccordée fluidiquement à la sortie 150b de la pompe 150. La sortie 1 10'b de l'échangeur primaire 1 10' est de préférence raccordée fluidiquement à l'entrée 1 10"a de l'échangeur secondaire 1 10". La sortie 1 10"b de l'échangeur secondaire 1 10" (correspondant à la sortie 1 10b du premier échangeur 1 10) est fluidiquement raccordée à l'entrée 120a de l'expanseur 120. Les échangeurs primaire 1 10' et secondaire 1 10" formant le premier échangeur 1 10 sont couplés thermiquement chacun à une même source de chaleur 170.
Typiquement, un des échangeurs 1 10' est utilisé pour réchauffer le fluide dans des conditions sous-critiques, tandis que l'autre 1 10" sert à faire le complément. Le premier intérêt est de permettre une meilleure adéquation entre le fluide de travail et le premier échangeur 1 10 et ainsi d'augmenter l'efficacité de l'échangeur, en réduisant le pincement en température entre la source de chaleur 170 et le fluide de travail. Le second intérêt est ensuite de pouvoir éventuellement utiliser deux échangeurs différents 1 10', 1 10", comme illustré en figure 2d, qui auraient des températures différentes grâce à des sources de chaleur 170, 270 différentes et des débits différents. Dans ce mode de réalisation particulier (figure 2d), l'entrée 1 10'a de l'échangeur primaire 1 10' (correspondant à l'entrée 1 10a du premier échangeur 1 10) est de préférence raccordée fluidiquement à la sortie 150b de la pompe 150. La sortie 1 10'b de l'échangeur primaire 1 10' est de préférence raccordée fluidiquement à l'entrée 1 10"a de l'échangeur secondaire 1 10". La sortie 1 10"b de l'échangeur secondaire 1 10" (correspondant à la sortie 1 10b du premier échangeur 1 10) est fluidiquement raccordée à l'entrée 120a de l'expanseur 120. Afin de varier les températures, les échangeurs primaire 1 10' et secondaire 1 10" formant le premier échangeur 1 10 ne sont couplés pas thermiquement à la même source de chaleur 170. Avantageusement, l'échangeur primaire 1 10' est couplé thermiquement à une source de chaleur primaire 270 et l'échangeur secondaire 1 10" est couplé thermiquement à une source de chaleur secondaire 170.
Avantageusement, la température de la source chaude étant donnée, le fluide de travail sera choisi de façon optimale afin de correspondre au mieux aux caractéristiques du premier échangeur 1 10 et en particulier à la température du fluide chaud de ce premier échangeur 1 10. On fera notamment en sorte que la température critique de fluide de travail choisi soit légèrement inférieure à la température du fluide chaud de ce premier échangeur 1 10. L'idée sous-jacente est qu'il faut légèrement dépasser la température critique pour que le rendement de l'installation soit optimisé. Typiquement, le fluide présente un écart (Δ) entre la température de la source de chaleur 170 du premier échangeur 1 10 et la température critique du fluide de travail ; ledit écart (Δ) étant compris entre 20°C et 70°C. Cette gamme permet d'avoir un rendement particulièrement élevé.
Selon une alternative, le fractionnement de l'expanseur 120 en deux parties, par exemple en utilisant deux expanseurs en série peut être intéressant afin d'utiliser pour l'injecteur 140 cette pression intermédiaire en pression haute et, de ce fait, faire travailler dans l'expanseur l'intégralité du fluide de travail. Cela conduit à un rendement plus élevé. La figure 3 illustre un mode de réalisation particulier dans lequel le système comprend un expanseur hermétique 300 composé de l'expanseur 120, de l'arbre 190 et de l'alternateur 200 ainsi qu'un circuit de refroidissement de l'ensemble hermétique. Le circuit de refroidissement est raccordé d'une part à la sortie 140b de l'injecteur 140 et d'autre part à la sortie 120b de l'expanseur 120. Il comprend un troisième échangeur de chaleur 160 dont l'entrée 160a est connectée à la sortie 140b de l'injecteur 140 et dont la sortie 160b est connectée à la sortie 120b de l'expanseur 120.
Le système est configuré de manière à ce que la pression en sortie 160b du troisième échangeur 160 soit supérieure à la pression en sortie de l'expanseur 120, garantissant ainsi que le fluide parcourt bien le troisième échangeur 160 depuis sa sortie 160a vers son entrée 160b.
Grâce à l'injecteur 140, on dispose ainsi d'un fluide froid présentant une pression rehaussée sans pour autant introduire une pompe additionnelle. Une partie de ce fluide froid est ainsi récupérée en sortie 140b de l'injecteur 140 et peut être utilisé afin de refroidir un organe auxiliaire comme par exemple un moteur ou un dispositif de conversion d'énergie couplé à l'expanseur 120. Typiquement, le système est équipé d'un alternateur 200 faisant office de dispositif de conversion d'énergie pour transformer en électricité le mouvement mécanique de l'expanseur 120 le plus souvent sous forme d'un expanseur volumétrique. Le troisième échangeur de chaleur 160 est configuré de sorte à refroidir l'expanseur hermétique 300 jusqu'à un niveau de température acceptable. Par exemple ce dernier est traversé par un fluide caloporteur qui permet de maintenir la température de l'expanseur hermétique à un niveau acceptable.
Or, le rendement d'un dispositif de conversion d'énergie, et notamment d'un alternateur, diminue lorsque sa température augmente.
En proposant une solution permettant de réduire la température du dispositif de conversion d'énergie sans pour autant introduire une pompe additionnelle ou une importante complexité et sans augmenter les risques de cavitation, l'invention apporte ainsi une solution efficace pour augmenter le rendement global du système sans diminuer sa fiabilité et sa stabilité.
Comme illustré sur la vue en coupe de la figure 4, le circuit de refroidissement permet de manière particulièrement avantageuse de refroidir par exemple un alternateur 200 ou un moteur fonctionnant en mode inverse (dans le cas d'un compresseur fonctionnant en expanseur) comprenant un stator 210. Dans ce mode de réalisation, le troisième échangeur de chaleur 160 permet de refroidir, grâce au fluide de travail prélevé à la sortie 140b de l'injecteur 140, un fluide mis en circulation autour du stator 210.
Un des intérêts de l'invention est ainsi de disposer d'un niveau de pression intermédiaire pour les organes auxiliaires tels qu'un alternateur ou un moteur. En effet, si on ne disposait que du seul niveau haut pour alimenter un circuit de refroidissement, on consommerait du travail réalisé dans la pompe 150. Grâce à l'injecteur 140, on dispose de fluide froid sans impacter significativement la pompe 150. Selon un mode de réalisation avantageux mais non limitatif de l'invention, la puissance du premier échangeur 1 10 est de 150kW ; le fluide de travail est, de préférence, du R134a (un des principaux constituants de ce fluide est par exemple le 1 ,1 ,1 ,2-Tetrafluoroethane) ; la pression maximale est de 50 bars ; la température maximale est de 130°C ; la pression minimale est de 10.17 bars ; la température minimale est de 30°C ; la puissance brute de 16.9 kW ; la puissance à évacuer par le système de refroidissement de 2kW ; la température de refroidissement 76.3°C ; le rapport de débit d'entraînement est de 20. Ce rapport correspond au rapport entre le débit de vapeur et le débit liquide. Il se mesure, par exemple, à l'aide de deux débitmètres.
Par ailleurs, le rendement de l'injecteur 140 est de 34.73%. Il s'agit du rendement exergétique, autrement dit le rapport entre l'exergie en sortie de l'injecteur 140 et les exergies en amont de celui-ci. Ce rapport peut être évalué à partir d'un bilan thermique de l'installation. On rappellera que l'exergie en thermodynamique est définit comme étant une grandeur permettant de mesurer la qualité d'une énergie.
Dans ce mode de réalisation, l'injecteur 140 comprend :
- au moins deux entrées 141 , 142 formant chacune une tuyère, l'une pour un premier fluide et l'autre pour un deuxième fluide présentant une pression plus élevée que le premier fluide ;
- au moins une chambre de mélange 143 dont la section est de préférence convergente ;
- au moins un col 144 et un divergent également désigné diffuseur 145, disposés successivement en aval de la chambre de mélange 144.
Pour bien mélanger les deux fluides provenant d'une part 142 de la sortie 130b du deuxième échangeur 130 (fluide sous forme liquide) et d'autre part 141 de la sortie 1 10b du premier échangeur 1 10 (fluide sous forme vapeur), il est nécessaire de les accélérer. Les deux tuyères d'entrée et les profils convergents sont configurés à cet effet. Le diffuseur 145 est quant à lui dimensionné de manière à convertir l'énergie cinétique en pression. Les valeurs numériques concernant l'injecteur 140 sont données dans le Tableau 1 .
Figure imgf000020_0001
Tableau 1 : Valeurs numériques caractérisant l'injecteur 140
Les performances suivantes sont ainsi obtenues pour l'injecteur 140 :
- pression de vapeur : 50 bar.
- pression de liquide : 10.17 bar.
- pression de sortie : 14 bar.
- rapport de débit d'entraînement : 20. Ce rapport correspond au rapport entre le débit de vapeur et le débit liquide. Il se mesure, par exemple, à l'aide de deux débitmètres.
- rendement d'injecteur : 34.73%. Ce rendement correspond au rendement exergétique, c'est-à-dire au rapport entre l'exergie en sortie d'injecteur et les exergies en amont de celui-ci. Il peut être évalué à partir d'un bilan thermique de l'installation.
Le premier échangeur de chaleur 1 10, c'est-à-dire l'échangeur chaud permet au fluide de travail d'absorber les calories d'un fluide de rejet thermique. Pour cet échangeur de chaleur 1 10, le fluide chaud est donc le fluide de rejet thermique et le fluide froid est le fluide de travail.
Des valeurs numériques concernant le premier échangeur 1 10 sont indiquées dans le Tableau 2, à titre d'exemple non limitatif de l'invention. Fluide chaud Fluide froid
Nature du fluide de travail Fluide de rejet R134a
Débit (kg/s) 1 .25 0.7228
Température haute (°C) 150 130
Température basse (°C) 90 40
Puissance échangée (W) 150000
Produit hS (W/K) entre le
coefficient d'échange et la 6184
surface d'échange de
l'échangeur (ou conductance
thermique de l'échangeur)
Tableau 2 : Valeurs numériques caractérisant l'échangeur chaud 110
Le deuxième échangeur de chaleur 130, c'est-à-dire l'échangeur froid, permet au fluide de travail d'évacuer ses calories. Pour cet échangeur de chaleur 130, le fluide chaud est donc le fluide de travail. Le fluide froid peut être de l'eau.
Des valeurs numériques concernant le deuxième échangeur de chaleur 130 sont indiquées dans le Tableau 3, à titre d'exemple non limitatif de l'invention.
Figure imgf000021_0001
Tableau 3 : Valeurs numériques caractérisant l'échangeur froid 130 L'expanseur 120 est préférentiellement de type expanseur volumétrique. L'expanseur 120 est de préférence un compresseur hermétique à spirale. Des valeurs numériques concernant l'expanseur 120 sont indiquées dans le Tableau 4, à titre d'exemple non limitatif de l'invention. L'expanseur 120 est associé à un dispositif de conversion d'énergie tel qu'un alternateur 200.
Figure imgf000022_0001
Tableau 4 : Valeurs numériques caractérisant l'expanseur 120
La pompe 150 est, de préférence, une pompe volumétrique. Des valeurs numériques concernant la pompe 150 sont indiquées dans le Tableau 5, à titre d'exemple non limitatif de l'invention.
Figure imgf000022_0002
Tableau 5 : Valeurs numériques caractérisant la pompe 150 Un comparatif des résultats obtenus d'une part avec un cycle de Rankine organique standard sans injecteur et d'autre part avec un système selon l'invention va maintenant être présenté. Un cycle de Rankine organique standard sans injecteur présente les caractéristiques suivantes :
puissance de la source chaude : 150kW.
- fluide : R134a.
pression maximale : 50 bar.
- température maximale : 130°C.
pression minimale : 10.17 bars,
température minimale : 130°C.
puissance brute : 16.9 kW.
puissance à évacuer par le système de refroidissement : 2 kW. - température de refroidissement : 76.3°C.
Une comparaison entre les performances de la présente invention et d'un cycle de Rankine organique standard sans injecteur 140 est dressée dans le Tableau 6.
Figure imgf000023_0001
Comparaison des caractéristiques de circuits avec un injecteur 140 (présente invention) et sans injecteur (cas standard)
Grâce à l'utilisation et notamment au positionnement de l'injecteur 140 dans le circuit, la présente invention présente de meilleures performances que les solutions connues tout en présentant une grande fiabilité et une complexité qui reste limitée. Parmi les applications de l'invention, on pourra citer l'utilisation de tels procédés de génération d'énergie électrique dans l'industrie de transformation (métallurgie, chimie, papeterie) avec des rejets thermiques à basse température, le transport avec moteur thermique (automobile, bateau), le solaire à concentration, ou encore la biomasse.
Tous les modes de réalisation couverts par les revendications ou décrits ci- dessus peuvent, de manière optionnelle et non limitative, présenter au moins l'une quelconque des caractéristiques facultatives suivantes :
- La sortie de la pompe est directement raccordée à l'entrée du premier échangeur.
- La sortie du premier échangeur est directement raccordée à l'entrée de l'expanseur.
- La sortie de l'expanseur est directement raccordée à l'entrée du deuxième échangeur.
- La sortie du deuxième échangeur est directement raccordée à la première entrée de l'injecteur.
- La sortie du premier échangeur est directement raccordée à la deuxième entrée de l'injecteur.
- La sortie de l'injecteur est directement raccordée à l'entrée de la pompe.
Dans la présente demande de brevet « A directement raccordée à B» signifie que le raccordement est direct et qu'il n'y a pas d'autre organe intermédiaire (pompe, échangeur, vanne, injecteur, expanseur etc.) entre A et B. Au vu de la description qui précède, il ressort clairement que l'invention permet de réduire significativement le coût des systèmes basés sur un cycle de Rankine, de les rendre plus fiables et robustes, tout en conservant un rendement équivalent voire amélioré.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système de production d'énergie électrique ou mécanique comprenant un circuit fluidique dans lequel circule un fluide de travail organique et comprenant une pluralité d'organes traversés par le fluide de travail et parmi lesquels : au moins un premier échangeur de chaleur (1 10) configuré pour être couplé thermiquement à au moins une première source de chaleur (170), un expanseur (120) dont une entrée (120a) est fluidiquement raccordée à une sortie (1 10b) du premier échangeur (1 10), un deuxième échangeur de chaleur
(130) configuré pour être couplé thermiquement à une deuxième source de chaleur (180) plus froide que la première source de chaleur (170) et au moins une pompe (150) configurée pour mettre en mouvement le fluide de travail dans le circuit fluidique, le circuit étant configuré de manière à ce que le fluide de travail passe successivement par au moins la pompe (150), le premier échangeur (1 10), l'expanseur (120) et le deuxième échangeur (130), puis à nouveau la pompe (150); le système comprenant un injecteur (140) comprenant :
- une première entrée (140a) fluidiquement raccordée à une sortie (130b) du deuxième échangeur de chaleur (130) ;
- une deuxième entrée (140c) fluidiquement raccordée à la sortie (1 10b) du premier échangeur (1 10) ;
- une sortie (140b) fluidiquement raccordée à une entrée (150a) de ladite pompe (150);
caractérisé en ce qu'il est configuré de manière à ce que :
- la deuxième entrée (140c) de l'injecteur (140) soit fluidiquement connectée en aval du premier échangeur (1 10) et strictement en amont de l'expanseur (120) ;
- en sortie (1 10b) du premier échangeur (1 10) le fluide de travail est amené dans un état supercritique.
2. Système selon la revendication précédente comprenant un circuit de refroidissement monté en parallèle par rapport à l'injecteur (140) et au deuxième échangeur (130), le circuit de refroidissement étant fluidiquement raccordé d'une part à la sortie (140b) de l'injecteur (140) et d'autre part à la sortie (120b) de l'expanseur (120).
Système selon la revendication précédente comprenant un dispositif de conversion d'énergie (200) configuré pour convertir un mouvement mécanique produit par l'expanseur (120) en électricité ou en un autre mouvement mécanique et dans lequel le circuit de refroidissement comprend un troisième échangeur de chaleur (160) thermiquement couplé avec une troisième source de chaleur échangeant de la chaleur avec le dispositif de conversion d'énergie (200), le système étant configuré de manière à ce que la pression en sortie (160b) du troisième échangeur (160) soit supérieure à la pression en sortie (120b) de l'expanseur (120).
Système selon la revendication précédente dans lequel le dispositif de conversion d'énergie (200) comprend un alternateur configuré pour convertir le mouvement mécanique produit par l'expanseur (120) en électricité et dans lequel la troisième source de chaleur comprend un circuit couplé thermiquement avec l'alternateur.
Système selon la revendication précédente dans lequel l'alternateur comprend un stator (210) et dans lequel la troisième source de chaleur comprend un circuit fluidique au contact du stator (210) et enfermant un fluide caloporteur.
Système selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le premier échangeur de chaleur (1 10) comprend au moins un échangeur primaire (1 10') et un échangeur secondaire (1 10") ; l'entrée (1 10'a) de l'échangeur primaire (1 10') étant raccordée fluidiquement à la sortie (150b) de la pompe (150), la sortie (1 10'b) de l'échangeur primaire (1 10') étant raccordée fluidiquement à l'entrée (1 10"a) de l'échangeur secondaire (1 10"), la sortie (1 10"b) de l'échangeur secondaire (1 10") étant fluidiquement raccordée à l'entrée (120a) de l'expanseur (120).
Système selon la revendication précédente dans lequel l'échangeur primaire (1 10') et l'échangeur secondaire (1 10") sont configurés pour être chacun couplés thermiquement à une même source de chaleur (170).
8. Système selon la revendication 6 dans lequel l'échangeur primaire (1 10') est configuré pour être couplé thermiquement à une source de chaleur primaire (270) et l'échangeur secondaire (1 10") est configuré pour être couplé thermiquement à une source de chaleur secondaire (170) distincte de la source de chaleur primaire (270).
9. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le premier échangeur (1 10) est configuré pour amener à sa sortie (1 10b) le fluide de travail à une température inférieure à 200°C et de préférence inférieure à 150°C.
10. Système selon la revendication précédente dans lequel le deuxième échangeur (130) est configuré pour amener à sa sortie (130b) le fluide de travail à une température comprise entre la température ambiante et 150°C, la température du fluide de travail en sortie (130b) du deuxième échangeur (130) étant inférieure à la température du fluide de travail en sortie (1 10a) du premier échangeur (1 10).
1 1 . Système selon l'une quelconque des revendications précédentes configuré de manière à ce que la pression et la température du fluide de travail en sortie du premier échangeur (1 10) soient supérieures aux pression et température critiques du fluide de travail.
12. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le fluide de travail est frigorigène et choisi parmi le R410a, le R134a, le R227ea, ou le R245fa.
13. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes configuré de manière à ce que la première entrée (140a) de l'injecteur (140) reçoive le fluide de travail au moins partiellement à l'état liquide et de préférence à l'état liquide uniquement et de manière à ce que la deuxième entrée (140c) de l'injecteur (140) reçoive le fluide de travail au moins partiellement à l'état gazeux et de préférence à l'état gazeux uniquement.
14. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant la première source de chaleur (170), la première source de chaleur (170) étant couplée thermiquement avec un circuit de rejet thermique d'une usine ou d'un moteur.
15. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un additionnel échangeur (230) configuré pour transférer de la chaleur depuis le fluide de travail en sortie (120b) d'expanseur (120) au fluide de travail situé entre la sortie (150b) de la pompe (150) et l'entrée (1 10a) du premier échanger (1 10).
16. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel le premier échangeur de chaleur (1 10) comprend au moins deux échangeurs de chaleur couplés chacun à une source de chaleur présentant une température différente, l'un étant configuré pour amener le fluide de travail dans un état souscritique et l'autre, disposé en aval, étant configuré pour amener le fluide de travail dans un état supercritique.
17. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes configuré de manière à ce que le fluide présente un écart (Δ) entre la température de la source de chaleur et la température critique du fluide de travail ; ledit écart (Δ) étant compris entre 20°C et 70°C.
18. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant un dispositif de conversion d'énergie (200) configuré pour convertir un mouvement mécanique produit par l'expanseur (120) en une énergie électrique ou mécanique et configuré de manière à ce que la puissance fournie par le dispositif de conversion d'énergie (200) soit inférieure à 100kW.
19. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel l'expanseur (120) est une turbine.
20. Système selon l'une quelconque des revendications précédentes dans lequel l'expanseur (120) comprend une machine volumétrique.
21 . Système selon la revendication précédente dans lequel l'expanseur (120) est une machine volumétrique comprenant un compresseur volumétrique fonctionnant en expanseur.
22. Système selon la revendication 19 dans lequel l'expanseur (120) est une machine hermétique ; ladite machine comprenant l'expanseur (120), un arbre (190) et l'alternateur (200) ; l'expanseur étant raccordé à l'arbre (190) et l'arbre (190) étant raccordé à l'alternateur (200).
23. Procédé pour produire de l'électricité à partir du système selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant au moins les étapes suivantes:
- une étape de montée en pression du fluide de travail au travers de la pompe (150),
- une étape de chauffage du fluide de travail au travers du premier échangeur de chaleur (1 10),
- une étape de détente d'une première partie du fluide de travail issu du premier échangeur (1 10) au travers de l'expanseur (120),
- une étape de refroidissement de la première partie du fluide au travers du deuxième échangeur de chaleur (130),
caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes au sein de l'injecteur (140) :
- une étape de détente d'une deuxième partie du fluide de travail issue du premier échangeur (1 10) au travers de l'injecteur (140),
- une étape de mélange au sein de l'injecteur (140) du fluide de travail issu de la sortie (130b) du deuxième échangeur (130) et de ladite deuxième partie du fluide de travail issue du premier échangeur (1 10), de manière à fournir en sortie (140a) d'injecteur (140) un fluide mélangé présentant une pression supérieure à celle du fluide de travail issu de la sortie (130b) du deuxième échangeur (130).
24. Procédé selon la revendication précédente comprenant une étape de refroidissement d'un fluide de refroidissement couplé thermiquement au fluide de travail par un troisième échangeur de chaleur (160), le fluide de travail circulant dans le troisième échangeur de chaleur (160) étant prélevé à la sortie (140b) de l'injecteur (140) et réinjecté au niveau de la sortie (120b) de l'expanseur (120).
25. Procédé selon la revendication précédente dans lequel le fluide de refroidissement refroidit un alternateur couplé à l'expanseur (120).
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