WO2022023053A1

WO2022023053A1 - Turbine axiale orc a admission variable pilotee

Info

Publication number: WO2022023053A1
Application number: PCT/EP2021/069745
Authority: WO
Inventors: Pascal SMAGUE; Benoit Talvard
Original assignee: IFP Energies Nouvelles
Priority date: 2020-07-29
Filing date: 2021-07-15
Publication date: 2022-02-03
Also published as: FR3113090A1; FR3113090B1; EP4189218A1

Abstract

Module turbine de récupération de chaleur à admission variable pour un dispositif ORC permettant d'améliorer la performance d'une turbine ORC destinée à la valorisation des pertes thermiques en conditions transitoires.

Description

TURBINE AXIALE ORC A ADMISSION VARIABLE PILOTEE

Domaine technique

L’invention concerne le domaine des récupérateurs d’énergie thermique à cycle organique de Rankine ou ORC.

Les circuits classiques de refroidissement de moteurs thermiques utilisent des équipements tels que des radiateurs pour céder la chaleur acquise par le fluide caloporteur, en traversant le moteur. De tels systèmes sont formés généralement d’un circuit fermé, dans lequel circule un fluide de refroidissement, notamment un mélange d’eau et d’éthylène de glycol. Un tel circuit fermé peut comprendre une pompe, des échangeurs de chaleurs avec le moteur à combustion interne et/ou ses équipements, un thermostat, un radiateur, et un aérotherme. La chaleur dissipée dans les radiateurs est toutefois perdue, et c’est pourquoi des dispositifs plus complets, comprenant encore un circuit récupérateur de chaleur adjoint au circuit de refroidissement, ont aussi été développés. La déposante s’est particulièrement intéressée aux circuits récupérateurs d’énergie thermique à cycle organique de Rankine ou ORC embarqués dans les systèmes de transport préférablement à hybridation électrique comme l’automobile, le poids lourd, le train, les moteurs stationnaires, etc. Plus précisément, l’invention concerne une turbine ORC avec un dispositif d’admission variable.

Comme cela est largement connu, le cycle de Rankine est un cycle thermodynamique par lequel de la chaleur provenant d'une source de chaleur externe est transmise à un circuit fermé qui contient un fluide, appelé fluide de travail ou fluide caloporteur. Ce type de cycle se décompose généralement en une étape durant laquelle le fluide de travail utilisé sous forme liquide, est comprimé de manière isentropique, suivie d'une étape où ce fluide liquide comprimé est chauffé et vaporisé au contact d'une source de chaleur. Cette vapeur est ensuite détendue, au cours d'une autre étape, de manière isentropique dans une machine de détente, puis, dans une dernière étape, cette vapeur détendue est refroidie et condensée au contact d'une source froide. Pour réaliser ces différentes étapes, le circuit comprend généralement une pompe compresseur pour faire circuler et comprimer le fluide sous forme liquide, un évaporateur qui est balayé par un fluide chaud pour réaliser la vaporisation au moins partielle du fluide comprimé, une machine de détente pour détendre la vapeur surchauffée, telle qu'une turbine, qui transforme l'énergie de cette vapeur en une autre énergie, comme une énergie mécanique ou électrique, et un condenseur grâce auquel la chaleur contenue dans la vapeur est cédée à une source froide, généralement de l'air extérieur qui balaye ce condenseur ou une boucle liquide à basse température, pour transformer cette vapeur en un fluide sous forme liquide.

Pour le domaine des moteurs à combustion interne, les cycles de Rankine conventionnels consistent en l’insertion d’une boucle de fluide caloporteur pour la valorisation des pertes thermiques du moteur. En général, cette récupération s’effectue sur les gaz d’échappement et/ou les gaz EGR (recirculation des gaz d’échappement), ou sur le circuit de refroidissement ou sur les deux simultanément.

Lorsque cette récupération est réalisée sur le système de refroidissement, l’évaporateur du cycle de Rankine permet un échange de chaleur entre le fluide de refroidissement et le fluide caloporteur du cycle de Rankine. L’évaporateur peut être localisé en général sur la branche de recirculation du circuit de refroidissement en amont du thermostat pour bénéficier de l’ensemble du débit en provenance du moteur ou en aval du thermostat sur la branche radiateur de manière à ne pas perturber la régulation en température du moteur. Dans ces conditions, la récupération doit être contrôlée notamment en condition de moteur à combustion interne froid de manière à ne pas pénaliser la montée en température du moteur, pouvant nuire au rendement de celui-ci en dégradant la consommation et les émissions de polluants pendant cette phase. Une fois le moteur à combustion interne arrivé à température idéale de fonctionnement, le thermostat situé en aval de l’échangeur du circuit de Rankine renvoie vers le radiateur l’excès de calories du circuit de refroidissement non prélevées par le cycle de Rankine.

Technique antérieure

Une turbine ORC à admission fixe est dimensionnée pour un certain débit massique de fluide caloporteur et une condition de pression en entrée relative à ce débit dans des conditions de température fixées. Si l’on souhaite réduire le débit massique à l’entrée de la turbine pour la faire fonctionner à charge partielle, la pression en entrée de la turbine va être réduite en conséquence réduisant ainsi le ratio de pression aux bornes de la turbine et donc son potentiel de récupération. Le recours à une admission turbine variable est un procédé largement utilisé car il permet pour des niveaux de charge réduites, dans le cas d’un débit massique réduit, de maintenir élevée la pression en entrée de la turbine et ainsi augmenter son potentiel de récupération.

Le document EP3530924 A1 divulgue une turbine ayant une admission variable et consistant en une volute d’entrée équipée de 4 cols soniques de type tuyère de Laval de sections différentes permettant d’ajuster la perméabilité de la turbine de façon discrète au débit d’entrée qu’elle rencontre. Le dispositif de stator est ici intégré dans la volute d’entrée de la turbine

ORC et les cols soniques sont répartis à 90° sur la volute d’entrée turbine. La turbine est par ailleurs équipée d’un dispositif de contrôle du débit permettant une distribution de la vapeur vers l’un ou l’autre des cols sonique de la turbine.

D’autres documents traitent également de cette thématique d’amission variable de turbine, comme par exemple : FR331950 A divulgue des groupes d’ajutage pour le stator réalisant ainsi une admission partielle. FR344683 A divulgue une admission fractionnée pour les turbines à gaz et vapeur avec des canaux directeurs d’accélération du fluide permettant d’accélérer la masse morte dans les aubes de la roue et de réduire les pertes d’efficacité. US4097188 A divulgue un dispositif de col soniques rapportés dans la turbine sous forme d’insert à sortie rectangulaire formant un stator amovible. US6416277 divulgue également un dispositif d’inserts statoriques amovibles rapportés à la turbine. Ces inserts sont fixés dans la turbine et peuvent être remplacés et modifiés pour changer l’angle de sortie et également la section de passage du col sonique. US2013205783 divulgue une turbine équipée d’un rotor et d’un stator disposant au moins de 2 cols soniques. Dans ce dispositif, les cols soniques de la turbine peuvent être activés de façon indépendante selon la charge de la turbine à l’aide de vanne de contrôle ou un volet placées en amont qui ouvre ou pas la circulation vers la portion de col souhaité.

Dans l’art antérieur, les dispositifs d’admission variable utilisent des solutions variées mais proposent en général seulement un à deux niveaux de réglages par actionneur. Les dispositifs permettant de faire varier l’admission du fluide de travail dans la turbine ORC selon l’art de la technique présentent notamment l’inconvénient de nécessiter la mise en œuvre de plusieurs actionneurs et/ou de choix techniques complexes. Résumé de l’invention

Un objectif général visé par l’invention est de fournir un fonctionnement optimal de la turbine sur une large plage d’utilisation tout en réduisant les coûts de fabrication, les coûts de la maintenance et le poids du dispositif. L’invention concerne une turbine ORC avec un dispositif d’admission variable. Plus précisément, l’invention concerne un module turbine de récupération de chaleur à admission variable comprenant une entrée radiale et une sortie axiale pour un fluide de travail, et un carter comprenant une volute avec une pluralité de secteurs angulaires alimentant en fluide de travail une roue axiale de la turbine, lesdits secteurs angulaires réunis ensemble occupant l’intégralité de la volute, caractérisée en ce qu’un actionneur unique est situé entre l’entrée pour le fluide de travail et les secteurs angulaires.

Selon un mode de réalisation, les secteurs angulaires sont au nombre de deux. Selon une variante de ce mode de réalisation les deux secteurs angulaires sont répartis sur des plages angulaires différentes l’une de l’autre. Avantageusement, les deux secteurs angulaires correspondent à une répartition 1/3 et 2/3 de la volute totale du carter.

Selon un mode de réalisation, l’actionneur unique comprend un axe de rotation et un demi volet articulé par rapport audit axe de rotation, le demi volet étant placé au niveau de l’entrée radiale de la turbine.

Selon un mode de réalisation, le module comprend une unité de contrôle de l’actionneur unique. Selon une variante de ce mode de réalisation, l’unité de contrôle de l’actionneur unique établit le positionnement de l’actionneur dans une des positions distinctes, au nombre de trois.

Avantageusement, les trois positions distinctes de l’actionneur unique correspondent à l’admission du fluide de travail respectivement dans un secteur angulaire, un autre secteur angulaire et dans l’intégralité des secteurs angulaires.

Selon un mode de réalisation, la volute du carter forme sensiblement un anneau ou un tore.

Un système ORC peut comprendre une pompe, un circuit, un fluide de travail, un condenseur, un évaporateur, un détendeur sous la forme d’une turbine selon l’invention et un récupérateur d’énergie.

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. Liste des figures

La figure 1 illustre, schématiquement et de manière non limitative, un carter de turbine selon un mode de réalisation de l’invention.

La figure 2 illustre, un schéma de fonctionnement de l’admission variable selon un mode de réalisation de l’invention. La figure 3 illustre, schématiquement et de manière non limitative, trois états de fonctionnement de l’admission variable, selon un mode de réalisation de l’invention.

Description des modes de réalisation

L’invention a pour but de fournir un fonctionnement optimal de la turbine sur une large plage d’utilisation tout en réduisant les coûts de fabrication, les coûts de la maintenance et le poids du dispositif.

De plus, le dispositif de l’invention a été optimisé afin de permettre, si les choix industriels le requièrent, de proposer un dispositif d’admission variable sur une turbine ORC initialement prévue pour une admission fixe. Ainsi, il sera possible de remplacer de manière modulaire seulement une partie de la turbine ORC, à savoir le carter comportant la volute type « scroll » et l’actionneur et l’unité de commande, le reste de la turbine restant par ailleurs identique.

Le module turbine de récupération de chaleur à admission variable de l’invention peut donc être composé d’un ensemble de pièces pouvant transformer une turbine à admission fixe en une turbine à admission variable. L’invention permet de proposer un dispositif d’admission variable sur une turbine ORC initialement prévue pour une admission fixe moyennant le remplacement d’un nombre réduit de pièces. La conception modulaire de ce dispositif, qui peut être sous forme de kit, trouve son intérêt notamment dans l’adaptation d’un système conçu au préalable avec une turbine ORC à admission fixe en transformant à faible coût une turbine à admission fixe en une turbine à admission variable au moment de la fabrication ou après- vente. Ceci permet de réduire les coûts de conception, de fabrication et de maintenance du dispositif.

Typiquement, la turbine se trouve sur un circuit ORC. La turbine est un détendeur centrifuge de type axial. Le module turbine de l’invention comprend une entrée radiale (4), une sortie axiale (5) pour un fluide de travail et un carter (3), voir Figure 1 (sur cette figure les flèches noires désignent l’écoulement du fluide travail à l’entrée (4) et à la sortie (5)). Le fluide de travail peut être de tout type, notamment un fluide de travail pour un circuit ORC, par exemple un fluide fluoré notamment NOVEC 649™ R245fa ou R1233zd (3M, USA) mais également un fluide de type hydrocarbure, mais également tout autre fluide dont la température d’utilisation dans le cadre de l’ORC est compatible avec la température de la source chaude disponible. Une roue axiale de la turbine, non représentée, ainsi qu’une partie du carter, non représentée, et qui permet de positionner ledit rotor, complètent la turbine lors du montage du module mais ne font pas partie du module turbine.

Le carter (3) comprend à son tour une pluralité de secteurs angulaires. Le nombre de secteurs angulaires dépend de la mise en œuvre de l’invention. Les secteurs angulaires sont typiquement des parties de la volute (6), qui sont formées (creusées) dans le carter. Une paroi

(9) est prévue au sein de la volute pour délimiter chaque secteur angulaire (7, 8). Une paroi

(10) partage en plusieurs portions l’entrée radiale (4), de manière à séparer l’alimentation des secteurs angulaires. La volute (6) ainsi séparée alimente en fluide de travail la partie statorique (fixe) de la turbine puis la roue axiale de la turbine. Si on les réunit ensemble, lesdits secteurs angulaires (7, 8) occupent l’intégralité de la volute (6) car l’intérêt de l’invention est de fournir une modularité de la volute (6) pour les modes de fonctionnement partiel et en même temps de pouvoir utiliser l’intégralité de la volute (6) dans le mode de fonctionnement à pleine charge.

Le module turbine de l’invention comprend également un actionneur unique (1), qui est situé entre l’entrée (4) pour le fluide de travail et les secteurs angulaires. L’actionneur unique (1) permet de moduler le passage du fluide de travail vers au moins un des secteurs angulaires, et ainsi de faire varier l’admission.

Selon un mode de réalisation de l’invention, la volute (6) peut comprendre seulement deux secteurs angulaires (7, 8). Ce mode de réalisation est représenté en Figure 3. Cependant d’autres modes de mise en œuvre de ce mode de réalisation peuvent comprendre un nombre différent de secteurs angulaires. A titre d’exemple, on peut diviser la volute en trois ou quatre secteurs angulaires. On peut également envisager de diviser la volute en cinq, six, sept, huit ou plus secteurs angulaires. Dans le cas d’un nombre de secteurs angulaires supérieur à deux, il y a évidemment plusieurs parois (9) et l’actionneur unique (1) ainsi que le demi volet (2) peuvent être adaptés en conséquence.

Selon une variante de ce mode de réalisation, les deux secteurs angulaires peuvent être répartis sur des plages angulaires différentes l’une de l’autre. Dans la solution proposée dans cette variante, combinée avec un choix de deux secteurs angulaires, il est possible d’utiliser la turbine sur trois niveaux de réglage avec un seul actionneur : ces trois niveaux correspondent respectivement à un premier secteur angulaire, à un deuxième secteur angulaire et à la somme du premier et du deuxième secteur angulaire. Dans ce cas de figure, le ratio entre les deux plages angulaires peut être choisi en fonction des caractéristiques optimales de fonctionnement de la turbine. Avantageusement, les deux secteurs angulaires peuvent correspondre à une répartition 1/3 et 2/3 de la volute totale du carter (telle qu’illustré en figure 3). Cependant, on peut envisager tout autre couple de ratios, comme par exemple 1/4 et 3/4 ou bien 2/5 et 3/5 et ainsi de suite. Le choix du couple de ratios (et par conséquent, le choix du positionnement de la paroi (9)) peut être effectué par l’homme de l’art en tenant compte des caractéristiques du circuit ORC, des régimes de fonctionnement, des températures de fonctionnement, des niveaux de charge thermique, de la nature du fluide de travail, du profil d’utilisation de la turbine, etc.

Selon un mode de réalisation de l’invention, l’actionneur unique (1) peut comprendre un axe de rotation (11) et un demi volet (2) articulé par rapport audit axe de rotation, le demi volet (2) étant placé au niveau de l’admission radiale (4) de la turbine. On parle de demi volet, car cet élément mobile a une forme qui correspond à la moitié de la section de l’admission de la turbine. Le demi volet (2) peut avoir une forme semi- circulaire ou toute autre forme souhaitable, en fonction de la section de passage du fluide de travail. L’axe de rotation (11) peut être entraîné dans ce cas par un moteur électrique ou bien tout autre actionneur permettant une rotation axiale. L’axe de rotation (11) peut être parallèle à l’axe de la turbine (axe du rotor). En variante, l’actionneur unique (1) peut comprendre tout autre moyen, notamment un élément mobile en translation, qui peut couvrir partiellement l’admission de la turbine et rendre étanche la partie couverte de l’admission

Ainsi, en fonctionnement à faible charge sur la turbine correspondant à de faibles débits de fluide de travail, le demi volet (2) est positionné de telle façon que la volute représentant le secteur angulaire minimum (8) est ouverte à l’admission, par exemple 1/3 de la surface de la volute (6) et en fermant l’accès au secteur angulaire supérieur (7), voir figure 3A. Ce fonctionnement permet d’augmenter la pression en entrée de la turbine donc de maximiser le ratio de détente de la turbine à faible charge. Lorsque le débit du fluide de travail passe au- dessus d’un certain seuil, le demi volet (2) se positionne pour fermer l’accès au secteur angulaire (8) afin de découvrir le secteur angulaire supérieur (7), par exemple les 2/3 de la surface du stator de la turbine, et donc de masquer le secteur angulaire inférieur (8), par exemple les 1/3, voir figure 3B. Dans ces conditions, la pression en entrée de la turbine est réduite compte tenue de la perméabilité augmentée de celle-ci. La turbine est en mesure d’augmenter son niveau de charge en laissant passer davantage de fluide de travail ORC. Enfin, lorsque le débit augmente au-dessus d’un dernier seuil, le volet peut être placé en position verticale pour découvrir l’intégralité de la surface (100%) de la volute (6) de la turbine pour maximiser le potentiel de récupération de la turbine ORC, voir figure 3C. Dans cette position, les deux secteurs angulaires (7, 8) sont découverts. Dans ces conditions, la turbine va atteindre le même fonctionnement qu’une turbine équivalente à admission fixe. La Figure 2 décrit le principe de fonctionnement en pression / débit de la turbine et représente l’illustration schématique comparative entre une turbine à admission fixe et une turbine à admission variable. Afin de faciliter la comparaison, on a représenté une turbine selon un mode de réalisation avec seulement deux secteurs angulaires avec un ratio 1/3 et 2/3. Sur l’axe des abscisses on retrouve le débit de fluide de travail ORC (D) et sur l’axe des ordonnées on retrouve la pression au niveau de l’entrée de la turbine (P). Sur cette figure, la zone 1/3 correspond à l’ouverture unique du secteur angulaire représentant 1/3 de la volute, la zone 2/3 correspond à l’ouverture unique du secteur angulaire représentant 2/3 de la volute, et la zone 100% correspond à l’ouverture commune des deux secteurs angulaires. La pression peut atteindre un maximum (Pmax) et est mesurée au niveau de l’entrée radiale (4) de la turbine. Le trait plein (A) représente une turbine à admission fixe et le trait en pointillés (B) représente une turbine à admission variable. La surface délimitée par les traits (A) et (B) représente le gain apporté par l’invention. En effet, grâce à l’invention, il est possible d’atteindre plus rapidement la pression maximale (Pmax) et d’avoir une pression au niveau de l’admission radiale (4) de la turbine (P) supérieure à une turbine à admission fixe sur les points de fonctionnement à charge partielle

Selon un mode de réalisation de l’invention, le module peut comprendre une unité de contrôle de l’actionneur unique. Le module de contrôle, non représenté sur les figures, peut prendre en compte des signaux provenant de différents capteurs et, avantageusement, peut prendre en compte des informations provenant du BUS de gestion du moteur et du véhicule dans son intégralité, afin de déterminer le fonctionnement du moteur (par exemple fonctionnement à charge partielle, fonctionnement à forte charge, etc.). Selon un mode de réalisation de l’invention, l’actionneur unique (1) peut établir le positionnement du demi volet (2) dans une des positions distinctes, au nombre de trois. Avantageusement, les trois positions distinctes de l’actionneur unique (1) correspondent à l’admission du fluide de travail respectivement dans un secteur angulaire, un autre secteur angulaire et à l’intégralité des secteurs angulaires. Dans ce cas, le demi volet (2) permet de répartir le débit sur les différents secteurs de la turbine (par exemple 1/3, 2/3, 100%), en fonction de la charge afin d’obtenir la pression la plus élevée possible et d’optimiser au mieux les capacités de récupération d’énergie. L’actionneur unique (1) place ainsi le demi volet (2) à 0°, 90° ou 180° par rapport au plan d’entrée se situant au-dessus de la volute (6), cf. Figure 3 (A, B et C). L’éventuelle information fournie par un capteur en sortie d’évaporateur (non représenté) permettrait de contrôler la pression du circuit, et le module de contrôle peut interpréter cette information pour définir la position du demi volet (2) afin d’optimiser le fonctionnement de la turbine en conséquence.

Selon un mode de réalisation de l’invention, la volute (6) peut former sensiblement un anneau ou un tore. La forme géométrique sera choisie par l’homme de l’art selon les choix de mise en œuvre de l’invention.

L’invention concerne en outre un système ORC comprenant une pompe, un circuit, un fluide de travail, un condenseur, un évaporateur, un détendeur sous la forme d’une turbine qui comprend le module turbine et un récupérateur d’énergie. La solution proposée par l’invention permet ainsi de maximiser le ratio de pression turbine donc sa production d’énergie pour des fonctionnements à charge variable. Le récupérateur d’énergie peut être tout dispositif générateur électrique ou bien tout dispositif permettant de récupérer et transformer l’énergie de la turbine par exemple sous forme d’énergie potentielle, disque d’inertie ou autre. Comme il va de soi, l’invention ne se limite pas aux seules formes de réalisation des évidements, décrits ci-dessus à titre d’exemple, elle embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation.

Claims

Revendications

1. Module turbine de récupération de chaleur à admission variable comprenant une entrée radiale (4) et une sortie axiale (5) pour un fluide de travail, et un carter (3) comprenant une volute (6) avec une pluralité de secteurs angulaires (7, 8) alimentant en fluide de travail une roue axiale de la turbine, lesdits secteurs angulaires (7, 8) réunis ensemble occupant l’intégralité de la volute (6), caractérisée en ce qu’un actionneur unique (1) est situé entre l’entrée radiale (4) pour le fluide de travail et les secteurs angulaires (7, 8), une paroi (9) au sein de la volute (6) délimite chaque secteur angulaire (7, 8) et une paroi (10) partage en plusieurs portions l’entrée radiale (4).

2. Module turbine selon la revendication 1, dans laquelle la pluralité de secteurs angulaires (7, 8) est composée de deux secteurs angulaires.

3. Module turbine selon la revendication 2, dans laquelle les deux secteurs angulaires (7, 8) sont répartis sur des plages angulaires différentes l’une de l’autre.

4. Module turbine selon la revendication 3, dans laquelle les deux secteurs angulaires (7, 8) correspondent à une répartition 1/3 et 2/3 de la volute (6) totale du carter.

5. Module turbine selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle l’actionneur unique (1) comprend un axe de rotation et un demi volet (2) articulé par rapport audit axe de rotation, le demi volet (2) étant placé au niveau de l’entrée radiale (4).

6. Module turbine selon l’une des revendications précédentes, comprenant une unité de contrôle de l’actionneur unique.

7. Module turbine selon la revendication 6, dans laquelle l’unité de contrôle de l’actionneur unique établit le positionnement de l’actionneur dans une des positions distinctes, au nombre de trois.

8. Module turbine selon la revendication 7, dans laquelle les trois positions distinctes de l’actionneur unique correspondent à l’admission du fluide de travail respectivement dans un secteur angulaire (7), un autre secteur angulaire (8) et à l’intégralité des secteurs angulaires (7, 8).

9. Module turbine selon l’une des revendications précédentes, dans laquelle la volute (6) forme sensiblement un anneau ou un tore.

10. Système ORC comprenant une pompe, un circuit, un fluide de travail, un condenseur, un évaporateur, un détendeur sous la forme d’une turbine qui comprend le module turbine selon l’une des revendications précédentes et un récupérateur d’énergie.