WO2022086312A1 - Converter for converting heat energy stored in ocean waters and in the atmosphere into electrical energy - Google Patents
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Definitions
- This invention relates to a converter of heat energy of solar origin stored in the waters of the oceans and in the atmosphere into electrical energy.
- ETM ocean thermal energy conversion systems
- OTEC organic Rankine cycle
- OTEC power generation was identified in the late 1970s as a possible renewable energy source with a low to zero carbon footprint of the energy produced.
- ETM systems bring huge amounts of deep cold sea water to the surface to provide cooling. More than half produced in an OTEC plant would be needed to run the water pumps and cool the working fluid and to power the plant's auxiliary needs. According to experts, the overall low net efficiency of an MTE plant is not a commercially viable power generation option.
- the Rankine cycle (inorganic and organic) is based on the cooling of the expanded vapor to liquefy it, and all the latent heat is transferred to the natural environment which is colder than the expanded vapor. But, if the natural environment is the hot source, then you have to use the cold production system to liquefy the steam, and in this case you spend more energy than you produce.
- thermodynamic cycle other than the organic Rankine cycle in order to be able to exploit the calorific energy stored in the seas, the oceans and the atmosphere is the only solution.
- the present invention proposes a converter using a new special thermodynamic cycle used in parallel with a hydraulic loop; a new method of energy conversion; and a new method of liquefying working fluid vapor using staged isenthalpic expansion; a method of synchronizing the operation of a set of intermediate tanks.
- Said converter is better adapted to the exploitation of the calorific energy of solar origin stored in the waters of the oceans and in the atmosphere.
- the energy stored in the waters of the oceans and in the atmosphere is very abundant on our earth, and it is free, renewable, inexhaustible, clean energy and does not emit greenhouse gases.
- This invention will certainly have a positive impact on the environment and on the climate, and will have positive consequences on the political, economic and social levels.
- This converter has the particularity of being based on simple techniques within the reach of all countries in the world.
- the first aim of this invention is to propose a converter characterized by its operation based on a special organic thermodynamic cycle used in parallel with a hydraulic loop. Said cycle transforms the very low temperature calorific energy stored in the water of the oceans and in the atmosphere into pressure energy; the latter will be communicated to the hydraulic loop within which the transformations continue to finally lead to the production of electricity.
- Another object of this invention is to provide a method of partial liquefaction of the steam inside the condensation line located in the condenser of the steam liquefaction stage, based on a staged isenthalpic expansion.
- the condensation line is an adiabatic line made up of a series of phase separators alternated by pressure regulators.
- Yet another objective of this invention is to provide a method for synchronizing the stages of the operating cycle of a group of intermediate reservoirs using a digital control-command system, to guarantee the continuity and stability of the flow of water supplying the hydraulic turbine coupled to an electric generator.
- Yet another object of this invention is to provide an organic working fluid which must be non-harmful to the ozone layer and non-generating greenhouse effect, and must be insoluble or very slightly soluble in water, it must also have a low boiling point, and a high saturation vapor pressure at room temperature. It must also have its high critical temperature without approaching the boiling point of water.
- Said converter proposed by this invention can be modeled by a special thermodynamic cycle, used in parallel with a hydraulic loop.
- the special thermodynamic cycle consists of a number of stages corresponding to the number of transformations that the working fluid must undergo during its evolution in said thermodynamic cycle. It includes a stage of steam generators; an energy conversion stage; a steam liquefaction stage; and a pumping stage for reintroducing condensate into the steam generator, and for reintroducing uncondensed steam by compression into the liquefaction stage for recycling.
- the hydraulic loop is a confined hydraulic circuit, in which fresh water circulates in a closed circuit, the temperature of the water must be that of the environment, that is to say the temperature of the environment where the steam generator.
- Said hydraulic loop is made up of the group of intermediate reservoirs also belonging to the special thermodynamic cycle; a pressure accumulator; a hydraulic turbine; a water tank or tarp to receive the water as it leaves the turbine; and a hydraulic pump.
- the steam generator stage must contain at least one steam generator.
- the function of the steam generator is to allow the heat exchange between the heat source and the organic working fluid, which, under the action of the heat flux passing through the wall, is brought to a boil and is transformed into steam under a certain pressure which is specific for each working fluid.
- the heat source is the calorific energy of solar origin stored in the water of the oceans and in the atmosphere, or quite simply our natural atmosphere.
- the energy conversion stage must contain at least one group of three intermediate reservoirs, said group also belongs to the hydraulic loop, because it is in the intermediate reservoir that the communication of the pressure energy of the steam to the hydraulic loop.
- thermodynamic cycle does not use the expansion of vapor (isentropic expansion) as the driving phase to produce work as in the normal organic Rankine cycle (ORC), but, it is limited to the passage of the working fluid from the liquid state in the vapor state, and uses only the saturated vapor pressure to drive out the water contained in the intermediate tank to take its place; the water, forced to escape through the outlet orifice to the pressure accumulator, which is a component of the hydraulic loop.
- the vapor pressure energy is communicated to a hydraulic circuit, and all that remains is to partially liquefy the steam; by taking advantage of its pressure which it has retained, to cause it to undergo staged isenthalpic expansion in the condensation line (which is an adiabatic line) composed of a number of phase separators alternated by pressure regulators also called Joule-Thomson valves that operate on the Joule-Thomson principle, which is a physical phenomenon in which the temperature of a gas decreases when that gas undergoes adiabatic expansion.
- Each intermediate tank of a group must be insulated, its shape must preferably be cylindrical with a domed bottom, and mounted in a vertical position.
- each tank must have on its upper part a steam inlet coming from the steam generator, and a steam outlet towards the liquefaction stage.
- the tank On the lower part, the tank must have a water inlet from a hydraulic pump, and a water outlet in the direction of the pressure accumulator.
- the pressure accumulator is a pressurized tank. It is filled half its volume with fresh water, and the other half is occupied by vapor from the working fluid, forming a vapor chamber which keeps it under pressure. It has a water inlet and outlet at the level of the part occupied by the water, and also has at the level of the steam chamber an inlet equipped with a pressure regulator, and an outlet equipped with a relief valve.
- the pressure inside said pressure accumulator must necessarily be lower than the saturated steam pressure which prevails in the steam generator and in the intermediate tank which discharges the water towards it; and this pressure must be kept constant by a regulating system, for the purpose of compensating for irregularities in the incoming water flow caused by the opening and closing of the valves of the group of intermediate tanks, and to ensure a flow of water constant outgoing to the hydraulic turbine.
- the pressure regulator installed on the steam inlet pipe in said accumulator and to the relief valve installed on the steam outlet pipe, that the stability of the pressure inside said accumulator is ensured: when the pressure tends to drop, the pressure regulator lets the steam pass inside the steam chamber to compensate for this drop, and when the pressure tends to increase, the relief valve lets the steam escape. escape outside the vapor chamber to the condensation line to compensate for this increase.
- the hydraulic turbine is indispensable for transforming the water pressure energy into mechanical rotational energy of the turbine rotor coupled to the electric generator, and it needs a continuous and stable water flow; to guarantee such a flow, it is essential to ensure the continuity of a supply of water entering the pressure accumulator, and to guarantee a regular and stable flow leaving in the direction of the hydraulic turbine.
- the continuity of the inflow is ensured by the synchronization method described below, while the outflow it is ensured by the pressure accumulator itself, since it is equipped with a regulation system allowing it to play this role.
- the hydraulic pump is essential to evacuate the water from the tank and push it back to the group of intermediate tanks to drive out the expanded steam and force it to go to the condensation stage.
- the vapor liquefaction stage consists of at least one condenser comprising at least one condensation line.
- Said condensation line is an adiabatic circuit in which staged isenthalpic expansion takes place. It consists of a series of phase separators interposed by pressure regulators. The purpose of the separator is to retain the liquid phase and allow the vapor phase to pass; and the purpose of the pressure reducer-regulator is to cause the steam to undergo isenthalpic expansion.
- the fluid leaving the said reservoir is a two-phase mixture.
- the latter arrives in the first separator of the condensation line, the liquid phase is retained, and the vapor phase continues its way to the first pressure reducer-regulator set at 7 bars.
- This first stage of the staged isenthalpic expansion gives the outlet of said regulator a superheated vapor for a very short time, then, after a certain time, a two-phase mixture is obtained, mainly in the vapor state, at a temperature of 14°C. .
- This two-phase mixture arrives in the second separator, the liquid phase is retained and the vapor phase continues on its way to the second pressure reducer-regulator set at 2 bars.
- This second step of the stepped isenthalpic expansion gives the outlet of said regulator a two-phase mixture having a temperature equal to -26°C. with a balanced titration.
- This two-phase mixture arrives in the third separator, the liquid phase is retained and the vapor phase continues on its way to the third pressure reducer-regulator set at 1 bar.
- This third and final stage of the staged isenthalpic expansion gives, at the outlet of said regulator, a two-phase mixture mainly in the liquid state having a temperature equal to -42°C.
- This two-phase mixture arrives in the fourth separator, the liquid phase is retained and the vapor phase is sucked up by a compressor and reintroduced into the condensation line for recycling. All the condensates retained in each of the separators will be withdrawn by condensate pumps, then passed through heat exchangers to exploit their cold, and to heat the condensate before reintroducing it into the steam generator. If the volume of the intermediate tank is kept constant during the expansion, the escape of the vapor towards the line of condensation will cause a pressure drop of the temperature and the material; this change will have consequences on the staged isenthalpic expansion.
- the first regulator no longer plays its role, because it is completely open
- the second regulator no longer plays its role, because it is completely open
- the third regulator no longer plays its role, because it is completely open.
- the three regulator expansion valves are open, and at this moment they have started to pump water inside the intermediate tank, to fill it with water and to force the residual two-phase mixture to go towards the condensation line. .
- Each splitter has one input and two outputs.
- the inlet is reserved for the two-phase liquid-vapor mixture, and for the two outlets: the main outlet is reserved for the condensate draw-off; and the secondary outlet is reserved for the steam outlet. Except for the separator reserved for receiving the non-condensed vapor to be recycled, which has a second inlet reserved for receiving the vapor from the compressor.
- the pumping stage consists of all the condensate pumps; each separator has its own pump, the role of which is to compress the condensate for two reasons: first, to prevent its evaporation in the pipes, since its passage through the heat exchangers, will inevitably lead to an increase in its temperature; and the second reason is to facilitate its introduction into the steam generator in which a high pressure prevails.
- each intermediate tank consists of three stages, these three stages are distinguished from each other by the opening of one or more of the four valves fitted to said intermediate tank, and keeping the other valves closed : a first step of admitting steam and discharging water to the pressure accumulator; followed by the second stage of isochoric exhaust of steam to the condensation line; followed by the third stage of water filling and steam evacuation to the condensation line, the execution of each stage must meet the following conditions: the execution of the first stage is conditioned by the sending of a signal from the high water level detector to the digital control-command system, the latter checks whether the other two stages in the other two tanks have been completed, if so, it controls the simultaneous opening of the valve d steam inlet and water outlet to the pressure accumulator, and all other valves must be closed, this situation is maintained until the low water level sensor sends a signal to the digital control-command system; on receipt of the signal from the low water level detector by the digital control-command system, the latter checks whether the other two stages in the other two tanks have been completed
- This stage corresponds to the expansion of the steam, and ends when the pressure inside the tank intermediate drops to 1 bar.
- the pressure sensor sends a signal to the digital control-command system, thus marking the end of this stage; on receipt of the signal from the low water pressure sensor by the digital control-command system, the latter checks whether the other two stages in the other two tanks have been completed, if so, it commands the execution of the third stage, which consists of opening the water inlet valve in the intermediate tank while keeping the steam outlet valve open, and the other valves must be closed.
- This step corresponds to the evacuation of the expanded residual steam, and the filling of the tank with water to prepare it for a new cycle.
- This stage ends with the filling of the tank with water, and. it is signaled to the control-command system by the high water level detector.
- the method of synchronizing the operation of a group of intermediate tanks is based on the operation cycle of a single intermediate tank; and it aims to ensure a continuity of a water flow towards the hydraulic loop so that, when the evacuation of the water towards the hydraulic loop ends in a tank, it must resume in the next tank. Since the cycle of operation of a tank consists of three stages, then a group of three intermediate tanks perfectly meets this requirement, the synchronization method therefore consists in having the three stages run at the same time, but, each in a tank different. So, during normal operation, when the first stage is running in the first tank, the third stage should be running in the second, and the second stage should be running. execution in the third tank, the steps must start simultaneously, provided that the steps are completed in all three tanks, this method requires a digital control system.
- propane it is only soluble in water in very small quantities (75 milligrams per liter at 20°C), so bringing it into contact with water does not pose a problem for proper operation of the thermodynamic cycle, especially in the conditions where it is placed in direct contact with water, as is the case in the intermediate reservoirs, and in the pressure accumulator; In addition to its low boiling point (-42°C) and its good saturation vapor pressure at ambient temperature (oceans and atmosphere) in tropical regions (where the temperature is around 25°C, which corresponds to a pressure of approximately 9.5 bar.); in addition to the availability of its MolUer enthalpy diagram on which is plotted the work cycle according to the operation of said converter object of this invention.
- propane as a working fluid in said converter which is the subject of this invention makes it possible to extract calories from media whose temperature is between -15° C. and 80° C.; for temperatures between -15°C to 30°C, the converter produces cold in addition to electricity, and between 30°C and 80°C, it tends to produce heat in addition to electricity .
- the converter proposed by this invention consists of an individual micro-installation with a power of one kilowatt (1 KW).
- the design of such an installation depends on the parameters of the workplace; the choice of working fluid; and parameters dependent on the geometry of the machine; these last parameters depend on the choice of the designer of such a project.
- the place imposes the ambient temperature (sea water or atmosphere); and the choice of the working fluid imposes a saturation vapor pressure, and consequently imposes the speed of the water which.acts.on.the.hydro.turbine.
- the power of the installation is. designer's choice. This choice can vary from an installation of a few kilowatts, to installations of the order of a gigawatt, or even more.
- what makes the difference between a small and a large installation is the number of steam generators constituting the stage of the steam generators; the number of groups of intermediate tanks and the volume of the tanks, the number of hydraulic loops and the dimensions of the turbine or hydraulic turbines, as well as the number of condensation lines.
- the speed of liquefaction of the steam plays an important role on the duration of the cycle, since the speed of the steam must be within the standards, a speed of 30 m is reasonable, and the section of the pipes must be adapted in which the steam circulates.
- the heat exchange surface of a copper tube with a diameter of 25 mm, a thickness of 3 mm, and a length of 2.5 m is capable of generating 1.25 liters of steam per second.
- the converter object of this invention which consists in installing all the components of the converter on board a floating or fixed platform, installed at sea not far from the coast.
- a maritime installation it benefits from the advantages of the high heat capacity of water, and the incessant agitation of seawater which is constantly renewing itself, which makes it possible to to save on the heat exchange surface of the steam generators.
- the installation can use all or part of the electricity produced, for the desalination of sea water.
- the platform To facilitate access to the platform, and facilitate the electrical connection to the network public and the connection of the piping to the installations located on land, it would be wise for it to be very close to the coast. It is essential to ensure that the steam generators saw permanently submerged in water.
- propane or other similar fluid as the working fluid is the right choice.
- the converter object of this invention consists in mounting all the stages constituting the converter on board a large boat or on board a submarine to produce electricity for the propulsion and for all the other services on board, including the production of fresh water.
- the converter which is the subject of this invention, consists in mounting all the stages constituting said converter on the ground.
- Such an installation is called a terrestrial or atmospheric installation, and it requires a larger heat exchange surface and ventilation, and therefore a greater investment. But under certain conditions, such an installation can prove to be very useful or even essential, such as for example the electrification of isolated places.
- the converter which is the subject of this invention, consists in pumping sea water towards an onshore installation. If the problem of the availability of space very close to the sea does not arise for the establishment of the station, despite the inevitable consumption of electrical energy by the pumps, the installation will be more advantageous in comparison with a atmospheric installation using air as a heat source.
- the converter object of this invention is to use said converter to produce electricity and cold.
- the steam generator of said converter must be installed in the place from which the calories are to be extracted, such as for example: a cold room.
- the converter object of this invention is to use the operating principle of said converter to produce electricity by manufacturing scale models of a few kilowatts for personal use, mounted on mobile carts.
- FIG. 1 is a plot of the special thermodynamic cycle on a Mollier enthalpy diagram of propane R-290, illustrating the various transformations undergone by propane during this cycle.
- FIG. 2 is an illustration of the various stages of the special thermodynamic cycle, symbolically representing the stage of the steam generators; the energy conversion stage containing a group of 3 intermediate tanks and the hydraulic loop; the liquefaction stage containing a condensation line with phase separators and pressure regulators; and finally the condensate pumps and the non-condensed residual steam compressor including the cold recovery heat exchangers for other miscellaneous uses.
- Figure 3 is a schematic representation of an intermediate tank and the accessories necessary for its normal operation; the broken lines represent the circuits connecting the various sensors with the digital control-command system, and the control circuits of the actuators which perform the opening or closing of the various valves.
- the diagram which best suits to trace the special thermodynamic cycle is the Mollier enthalpy diagram of propane.
- This diagram is also known as the refrigeration diagram, which is a specific diagram for each working fluid. It is a very useful diagram for tracing the thermodynamic cycle. It allows direct reading of certain parameters, the abscissa (horizontal bar) designates the value of the mass enthalpy (in KJ/Kg) and the ordinate (vertical bar), the value of the pressure (in absolute bar ) on the logarithmic scale, vertical lines denote isenthalps, and horizontal lines denote isobars.
- the bell-shaped saturation curve defines the state of the working fluid, with its critical point at its peak.
- Isotiters represent the ratio of the mass of the vapor to the total mass of the fluid. Isochores represent curves where the volume does not change during a transformation, they intersect with the dew curve (left side), cross the saturation curve while tending towards low pressures, and approaching more in addition to the evaporation curve (right side) without intersecting with it.
- Propane has interesting physical properties. First, it is only soluble in water in very small quantities (75 milligrams per liter at 20°C), so bringing it into contact with water does not pose a problem for the operation of the thermodynamic cycle. ; but the contaminated water circuit must be contained. At 25°C (temperature assumed to be that of the environment where the steam generator is placed), its saturation vapor pressure is equal to approximately 9.5 bars, and its specific volume is equal to approximately 50 liters, and this is precisely its two properties that will be exploited to produce useful work, propane has a very low boiling point -42°C, it can produce cold by the steam liquefaction method. The high critical point temperature of 97.5°C makes it possible to exploit other sources of recovery heat with a temperature below 90°C.
- Figure 1 shows the plot of the special thermodynamic cycle on the Mollier diagram of propane.
- the temperature of the place (sea water or atmosphere) is assumed to be equal to 25°C.
- the plot of said cycle illustrates the various transformations undergone by propane since its introduction into the steam generator in the liquid state.
- the horizontal line segment (1-2) represents the isobaric evaporation process that takes place in the steam generator.
- the segment (3-4) represents a secondary isobaric transformation, and finally, the segments (4-5 and 5-1) represent the compression of the condensate in order to be able to inject it into the steam generator.
- FIG. 2 is a very simplified schematic representation and comprising the minimum of equipment, it represents the stages constituting the installation of the said converter: the stage of the steam generators (11) must contain at least one steam generator (110); and the steam energy conversion stage (12) must contain at least one group of three intermediate tanks (15); the steam liquefaction stage (13) must contain at least one condenser comprising at least one condensation line; and finally, the pumping stage (14) consisting of all the condensate pumps (42) and the compressor (43) of the non-condensed steam.
- the hydraulic loop is a confined hydraulic circuit (to avoid any direct contact of water with the atmosphere, because it contains traces of propane in solution), in which fresh water circulates in circuit farm.
- Said loop is constituted by the group of intermediate reservoirs (15) also belonging to the special thermodynamic cycle; a pressure accumulator (16); a hydraulic turbine (19) coupled to an electric generator (20); a water pan (17) to receive water leaving the turbine (19); and a hydraulic pump (18).
- the role of the latter is to evacuate the water from the tank (1.7) and push it back to said intermediate tank (15) available.
- the pressure accumulator (16) is a pressurized tank. It has a water inlet (160) and an outlet (161) at the level of the part occupied by the water, and also has a steam inlet (162) and an outlet (163) at the level of the chamber to steam. It is filled half of its volume with fresh water (22), and the other half is occupied by steam from the working fluid, forming a steam chamber (21) which keeps it under pressure; this steam chamber is supplied with steam from the steam generator through a pressure regulator (164) installed at the steam inlet (162); and exhaust is through a relief valve (165) installed at the steam outlet (163) to the condensing line.
- the pressure inside said pressure accumulator (16) must necessarily be lower than the saturated steam pressure which prevails in the steam generator (110) and in the intermediate tank (15) which discharges the water towards it, and it must be kept constant.
- the regulation system consisting of the pressure regulator (164) and the relief valve (165) ensures that a preset pressure is maintained constant to compensate for irregularities in the inflow of water caused by the opening and closing of the valves (25) of the group of intermediate tanks (15), and to ensure a constant flow of water outgoing towards the hydraulic turbine: when the pressure tends to drop, the regulator (164) allows the steam to pass to compensate for this drop, and when the pressure tends to increase, the relief valve (165) lets the steam escape to the condensation line.
- each intermediate tank (15) of a group must be insulated, its shape must preferably be cylindrical, and mounted in a vertical position.
- each tank must have on its upper part a steam inlet (24) coming from the steam generator, equipped with a motorized shut-off valve (23) and a steam outlet (26) towards the floor of liquefaction equipped with a motorized stop valve (25.
- On its lower part, it must have a water inlet (30) coming from the pump of the hydraulic loop, equipped with a motorized stop valve (29 ) and a water outlet (28) to the pressure accumulator equipped with a motorized shut-off valve (27). All the motorized shut-off valves are controlled by the digital control-command system.
- Each intermediate tank must be equipped with sensors, such as water level detectors (31) and (32), and pressure sensors (33).
- each intermediate tank consists of three stages, these three stages are distinguished from each other by the opening of one or more of the four valves fitted to said intermediate tank and keep the others closed: a first stage of admission of steam and evacuation of water to the pressure accumulator: followed by the second stage of isochoric exhaust of steam to the condensation line; followed by the third stage of water filling and steam evacuation to the condensation line, the execution of each stage must meet the following conditions: the execution of the first stage is conditioned by the sending of a signal from the high water level detector (31) to the digital control-command system (34), the latter checks whether the other two stages in the other two tanks have been completed, if so, it controls the simultaneous opening of the steam inlet valve (23) and that of the water outlet (27) to the pressure accumulator, the other two valves (25) and (29) must be closed, this situation is maintained until the low water level detector (32) sends a signal to the digital control-command system (34); on receipt of the signal from the low water level detector (32) by the digital control
- This step corresponds to the expansion of the steam, and ends when the pressure inside the intermediate tank drops to one bar (1 bar).
- the pressure sensor 33 sends a signal to the digital control-command system, thus marking the end of this stage; on receipt of the signal from the pressure sensor (33) by the digital control-command system (34), the latter verifies whether the two other stages in the two other tanks have been completed, if so, it controls the execution of the third stage, which consists of opening the water inlet valve (29) in the intermediate tank while keeping the steam outlet valve (25) open, and the other two valves (23 and 27) must be closed.
- This step corresponds to the evacuation of the expanded steam, and to the filling of the reservoir (15) with water to prepare it for a new cycle.
- This step ends with the filling of the tank with water, and it is signaled to the control-command system (34) by the high water level detector (31).
- the method of synchronizing the operation of a group of intermediate tanks is based on the operation cycle of a single tank; and it aims to ensure continuity of a flow of water to the hydraulic loop so that when the evacuation of water to the hydraulic loop ends in a tank, it must resume in the next tank. Since the cycle of operation of a tank consists of three stages, then a group of three intermediate tanks perfectly meets this requirement, the synchronization method therefore consists in having the three stages run at the same time, but, each in a tank different. So, during normal operation, when the first stage is running in the first tank, the third stage should be running in the second, and the second stage should be running. execution in the third tank. The steps must start simultaneously, provided that the previous steps are completed in all three tanks, this method requires a digital control system.
- the liquefaction method consists in subjecting the pressurized steam contained in the intermediate tank 15 to a staged isenthalpic expansion. This method requires allowing the steam to escape to the last low pressure separator 41 in which there is a pressure equal to one bar (1 bar), through the condensation line.
- This first step of the staged isenthalpic expansion gives the outlet of the said expander for a very short time a superheated vapor represented by the small horizontal segment delimited by the points (6-6')(figure 1), then, after a certain time a two-phase mixture is obtained mainly in the vapor state at a temperature of 14°C.
- This diphasic mixture arrives in the second separator (37), the liquid phase is retained and the vapor phase continues its way to the second expansion valve (38) set at two bars.
- This second step of the stepped isenthalpic expansion gives, at the outlet of the said regulator, a two-phase mixture with an average titration, having a temperature equal to -26°C.
- This diphasic mixture arrives in the third separator (39), the liquid phase is retained and the vapor phase continues on its way to the third expansion valve
- This third and final stage of the stepped isenthalpic expansion gives, at the outlet of said regulator, a two-phase mixture, mainly in the liquid state, having a temperature equal to -42°C.
- This diphasic mixture arrives in the fourth separator
- the opening of the expansion valve is a function of the pressure difference between its inlet and its outlet, and also note that the phase separators retain the liquid phase and allow only the vapor phase to pass.
- the steam arrives at the inlet of each expansion valve (36, 38, 40) with a maximum pressure difference, see the vertical segments (2-6, 9-7 and 10-8) ; then, over time, the first expander-regulator (36) will begin to open as a result of the gradual drop in pressure at its inlet; as if the segment of the isenthalp (2-6) included between the section of the curve of the isochore 50 liters (56), and the isobar seven bars, moves horizontally on the segment (6-9), and becomes smaller and smaller, until points (2 and 6) merge with point (9) when the pressure drops to seven bars; at this time, the first expansion valve (36) is completely open.
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Abstract
Disclosed is a converter for converting heat energy of solar origin stored in ocean waters and in the atmosphere into electrical energy. The converter proposed by this invention is based on a special organic thermodynamic cycle and a hydraulic loop. The cycle uses propane as the working fluid. As a result of the physical properties of the latter and, in particular, its low boiling point, it is able to absorb calories from the ambient environment and be transformed into vapour. Heat energy is thus transformed into pressure energy, which is communicated to the hydraulic loop, whose components include a pressure accumulator and a hydraulic turbine coupled to an electric generator. This invention also proposes a method for liquefying vapour, and also proposes a method for synchronising the operation of a set of reservoirs, by using a digital control/command system to achieve a stable and continuous operating state from a discontinuous operating state. The converter also has the property of producing cold. The installation of such a converter on board large ships is capable of producing the energy required for propulsion and all on-board services.
Description
Convertisseur d'énergie calorifique d'origine solaire stockée dans les eaux des océans et dans l'atmosphère en énergie électrique. Converter of heat energy of solar origin stored in the waters of the oceans and in the atmosphere into electrical energy.
Domaine technique. Technical area.
Cette invention concerne un convertisseur d'énergie calorifique d'origine solaire stockée dans les eaux des océans et dans l'atmosphère en énergie électrique. This invention relates to a converter of heat energy of solar origin stored in the waters of the oceans and in the atmosphere into electrical energy.
Technique antérieur. Prior technique.
Les grands capteurs naturels du rayonnement solaires sont les océans et l'atmosphère. Tout le monde pense que la source d'énergie alternative à l'énergie atomique et l'énergie fossile de demain sera certainement l'énergie stockée dans les eaux des océans et dans l'atmosphère. Pour l'exploitation de l'énergie thermique de mers (ETM), des études faites récemment estime que le potentiel techniquement exploitable (PTE) est de 100 000 TWh/a, et il représente 82 % des énergies de la mer. Ces grands réservoirs naturels d'énergie calorifique constituent un stock inépuisable, renouvelable, écologique et propre. Les tentatives d'exploitation de cette source d'énergie pour produire de l'électricité restent jusqu'à présent non significatives. The major natural sensors of solar radiation are the oceans and the atmosphere. Everyone thinks that the alternative source of energy to atomic energy and the fossil energy of tomorrow will certainly be the energy stored in the waters of the oceans and in the atmosphere. For the exploitation of thermal energy from the seas (ETM), recent studies estimate that the technically exploitable potential (TEP) is 100,000 TWh/a, and it represents 82% of the energies of the sea. These large reservoirs natural sources of heat energy constitute an inexhaustible, renewable, ecological and clean stock. Attempts to harness this energy source to produce electricity have so far remained insignificant.
Il est connu de l'état de la technique la plus proche au convertisseur proposé par cette invention, des dispositifs ayant fait l'objet d'une demande de brevet, on peut citer par exemple le brevet EP2929184A1. It is known from the state of the art closest to the converter proposed by this invention, devices having been the subject of a patent application, one can cite for example the patent EP2929184A1.
La plupart des systèmes de conversion de l'énergie thermique des mers(ETM) dite aussi en Anglais (OTEC) pour "Ocean thermal energy conversion", utilisent la différence de température entre l'eau relativement chaude de surface (température comprise entre 23 et 28 °C ), et l'eau profonde froide (profondeur au delà de 1000 m, et température = 5 °C) pour faire fonctionner un cycle thermodynamique classique comme le cycle organique de Rankine (ORC), pour entraîner un moteur thermique en vue de produire de l'énergie électrique. La production d'énergie OTEC a été identifiée à la fin des années 1970 comme une source d'énergie renouvelable possible ayant une empreinte carbone de l'énergie produite faible à nulle. Les systèmes ETM classiques apportent d'énormes quantités d'eau de mer froide profonde à la surface afin d'assurer le refroidissement. Plus de la moitié produite dans une usine OTEC serait nécessaire pour faire fonctionner les pompes à eau et à refroidir le fluide de travail et pour alimenter les besoins auxiliaires de l'usine. Selon des experts, la faible efficacité nette globale d'une centrale ETM n'est pas une option de production d'énergie viable sur le plan commercial. Most ocean thermal energy conversion systems (ETM), also known in English (OTEC) for "Ocean thermal energy conversion", use the temperature difference between the relatively warm surface water (temperature between 23 and 28°C), and cold deep water (depth beyond 1000 m, and temperature = 5°C) to operate a classic thermodynamic cycle such as the organic Rankine cycle (ORC), to drive a heat engine in sight to produce electrical energy. OTEC power generation was identified in the late 1970s as a possible renewable energy source with a low to zero carbon footprint of the energy produced. Conventional ETM systems bring huge amounts of deep cold sea water to the surface to provide cooling. More than half produced in an OTEC plant would be needed to run the water pumps and cool the working fluid and to power the plant's auxiliary needs. According to experts, the overall low net efficiency of an MTE plant is not a commercially viable power generation option.
Toujours dans l'état de l'art de la technique la plus proche, on peut citer la référence W02007101919A1 d'un brevet qui décrit un modèle typique des tentatives de conversion d'énergie calorifique contenue dans le milieu ambiant ou rejetée par un autre dispositif ou recherchée spécifiquement et transportée par un fluide, en une énergie utilisable en tant qu'énergie mécanique et/ou énergie électrique. Still in the state of the art of the closest technique, we can cite the reference W02007101919A1 of a patent which describes a typical model of attempts to convert heat energy contained in the ambient medium or rejected by another device or sought specifically and transported by a fluid, in an energy usable as mechanical energy and/or electrical energy.
Les nouvelles générations des pompes à chaleur haute température sont des appareils électriques, qui utilisent l'énergie disponible gratuitement dans l'environnement pour assurer le chauffage et la production de l'eau sanitaire des maisons, le but attendu de ces machines est de prélever les calories d'un milieu et les restituer à un autre, sans jamais penser à produire de l'électricité.
Aujourd'hui, l'énergie thermique des mers suscite un regain d'intérêt et un consensus international semble établi selon lequel elle pourrait contribuer à satisfaire nos besoins en énergie primaire. Mais l'inadaptation de nos modes de production dits traditionnels restent un obstacle devant l'accessibilité à cette énergie. The new generations of high-temperature heat pumps are electrical appliances, which use the energy available free of charge in the environment to provide heating and the production of domestic water for homes, the expected purpose of these machines is to take calories from one medium and return them to another, without ever thinking of producing electricity. Today, the thermal energy of the seas is attracting renewed interest and an international consensus seems to be established according to which it could contribute to satisfying our primary energy needs. But the unsuitability of our so-called traditional production methods remains an obstacle to accessibility to this energy.
Le cycle de Rankine (non organique et organique) se base sur le refroidissement de la vapeur détendue pour la liquéfier, et toute la chaleur latente est cédée au milieu naturel qui est plus froid que la vapeur détendue. Mais, si le milieu naturel est la source chaude, alors, il faut faire recours au système de production du froid pour liquéfier la vapeur, et dans ce cas on dépense plus d'énergie que l'on produit. The Rankine cycle (inorganic and organic) is based on the cooling of the expanded vapor to liquefy it, and all the latent heat is transferred to the natural environment which is colder than the expanded vapor. But, if the natural environment is the hot source, then you have to use the cold production system to liquefy the steam, and in this case you spend more energy than you produce.
Donc, trouver un nouveau cycle thermodynamique autre que le cycle organique de Rankine, pour pouvoir exploiter l'énergie calorifique stockée dans les mers les océans et l'atmosphère est la seule solution. Therefore, finding a new thermodynamic cycle other than the organic Rankine cycle, in order to be able to exploit the calorific energy stored in the seas, the oceans and the atmosphere is the only solution.
Résumé de l'invention. Summary of the Invention.
Pour remédier aux inconvénients présentés ci-dessus, la présente invention propose un convertisseur utilisant un nouveau cycle thermodynamique spécial utilisé en parallèle avec une boucle hydraulique; une nouvelle méthode de conversion d'énergie; et une nouvelle méthode de liquéfaction de la vapeur du fluide de travail utilisant une détente isenthalpique étagée; une méthode de synchronisation du fonctionnement d'un jeu de réservoirs intermédiaires. Ledit convertisseur est mieux adapté à l'exploitation de l'énergie calorifique d'origine solaire stockée dans les eaux des océans et dans l'atmosphère. L'énergie stockée dans les eaux des océans et dans l'atmosphère est très abondante sur notre terre, et elle est une énergie gratuite, renouvelable, inépuisable, propre et ne dégage pas de gaz à effet de serre. Cette invention aura certainement un impact positif sur l'environnement et sur le climat, et aura des conséquences positives sur les plans politiques économiques et sociaux. Ledit convertisseur a la particularité de se baser sur des techniques simples à la portée de tous les pays du monde. To remedy the drawbacks presented above, the present invention proposes a converter using a new special thermodynamic cycle used in parallel with a hydraulic loop; a new method of energy conversion; and a new method of liquefying working fluid vapor using staged isenthalpic expansion; a method of synchronizing the operation of a set of intermediate tanks. Said converter is better adapted to the exploitation of the calorific energy of solar origin stored in the waters of the oceans and in the atmosphere. The energy stored in the waters of the oceans and in the atmosphere is very abundant on our earth, and it is free, renewable, inexhaustible, clean energy and does not emit greenhouse gases. This invention will certainly have a positive impact on the environment and on the climate, and will have positive consequences on the political, economic and social levels. This converter has the particularity of being based on simple techniques within the reach of all countries in the world.
Le premier but de cette invention est de proposer un convertisseur caractérisé par son fonctionnement basé sur un cycle thermodynamique organique spécial utilisé en parallèle avec une boucle hydraulique. Ledit cycle transforme l'énergie calorifique très basse température stockée dans l'eau des océans et dans l'atmosphère en énergie de pression; cette dernière sera communiquée à la boucle hydraulique au sein de laquelle les transformations se poursuivent pour aboutir finalement à la production d'électricité . The first aim of this invention is to propose a converter characterized by its operation based on a special organic thermodynamic cycle used in parallel with a hydraulic loop. Said cycle transforms the very low temperature calorific energy stored in the water of the oceans and in the atmosphere into pressure energy; the latter will be communicated to the hydraulic loop within which the transformations continue to finally lead to the production of electricity.
Un autre but de cette invention est de proposer une méthode de liquéfaction partielle de la vapeur à l'intérieur de la ligne de condensation située dans le condenseur de l'étage de liquéfaction de la vapeur, basée sur une détente isenthalpique étagée. La ligne de condensation est une ligne adiabatique composée d'une série de séparateurs de phases alternés par des détendeurs-régulateurs de pression. Another object of this invention is to provide a method of partial liquefaction of the steam inside the condensation line located in the condenser of the steam liquefaction stage, based on a staged isenthalpic expansion. The condensation line is an adiabatic line made up of a series of phase separators alternated by pressure regulators.
Encore un autre objectif de cette invention est de proposer une méthode pour synchroniser les étapes du cycle de fonctionnement d'un groupe de réservoirs intermédiaires en utilisant un système numérique de contrôle -commande, pour garantir la continuité et la stabilité du débit d'eau alimentant la turbine hydraulique couplée à un générateur électrique.
Encore un autre but de cette invention est de proposer un fluide organique de travail qui doit être non nocif pour la couche d'ozone et non générateur d'effet de serre, et doit être insoluble ou très peu soluble dans l'eau, il doit aussi avoir un bas point d'ébullition, et une pression de vapeur saturante élevée à la température ambiante. Il doit avoir aussi sa température critique élevée sans s'approcher du point d'ébullition de l'eau. Cette dernière propriété permet d'exploiter d'autres sources de chaleur (généralement de la chaleur provenant, de la récupération ou d'autres sources chaudes d'origines diverses.) dont la température est supérieure à la température ambiante, le propane répond bien à ces propriétés, et c'est lui qui sera adopté comme fluide travail, dans l' attente de trouver un autre fluide de travail de substitution ayant des propriétés meilleures. Yet another objective of this invention is to provide a method for synchronizing the stages of the operating cycle of a group of intermediate reservoirs using a digital control-command system, to guarantee the continuity and stability of the flow of water supplying the hydraulic turbine coupled to an electric generator. Yet another object of this invention is to provide an organic working fluid which must be non-harmful to the ozone layer and non-generating greenhouse effect, and must be insoluble or very slightly soluble in water, it must also have a low boiling point, and a high saturation vapor pressure at room temperature. It must also have its high critical temperature without approaching the boiling point of water. This last property makes it possible to exploit other sources of heat (generally heat coming from, recuperation or other hot sources of various origins.) whose temperature is higher than the ambient temperature, propane responds well to these properties, and it is he who will be adopted as the working fluid, pending the finding of another substitute working fluid with better properties.
Ledit convertisseur proposé par cette invention peut être modélisé par un cycle thermodynamique spécial, utilisé en parallèle avec une boucle hydraulique. Said converter proposed by this invention can be modeled by a special thermodynamic cycle, used in parallel with a hydraulic loop.
Le cycle thermodynamique spécial se compose d'un nombre d'étages correspondants au nombre de transformations que doit subir le fluide de travail au cours de son évolution dans ledit cycle thermodynamique. Il comprend un étage des générateurs de vapeur; un étage de conversion d'énergie; un étage de liquéfaction de la vapeur; et un étage de pompage pour réintroduire le condensat dans le générateur de vapeur, et pour réintroduire la vapeur non condensée par compression dans l'étage de liquéfaction pour la recycler. The special thermodynamic cycle consists of a number of stages corresponding to the number of transformations that the working fluid must undergo during its evolution in said thermodynamic cycle. It includes a stage of steam generators; an energy conversion stage; a steam liquefaction stage; and a pumping stage for reintroducing condensate into the steam generator, and for reintroducing uncondensed steam by compression into the liquefaction stage for recycling.
La boucle hydraulique est un circuit hydraulique confiné, dans lequel circule de l'eau douce en circuit fermé, la température de l'eau doit être celle de l'ambiance, c'est-à- dire la température du milieu où est placé le générateur de vapeur. Ladite boucle hydraulique est constituée par le groupe de réservoirs intermédiaires appartenant aussi au cycle thermodynamique spécial; d'un accumulateur de pression; d'une turbine hydraulique; d'un bac à eau ou bâche pour recevoir l'eau à sa sortie de la turbine; et d'une pompe hydraulique. The hydraulic loop is a confined hydraulic circuit, in which fresh water circulates in a closed circuit, the temperature of the water must be that of the environment, that is to say the temperature of the environment where the steam generator. Said hydraulic loop is made up of the group of intermediate reservoirs also belonging to the special thermodynamic cycle; a pressure accumulator; a hydraulic turbine; a water tank or tarp to receive the water as it leaves the turbine; and a hydraulic pump.
L'étage des générateurs de vapeur doit contenir au moins un générateur de vapeur. En général, la fonction du générateur de vapeur est de permettre l'échange thermique entre la source de chaleur et le fluide organique de travail, qui, sous l'action du flux de chaleur qui traverse la paroi, est porté à ébullition et se transforme en vapeur sous une certaine pression qui est spécifique pour chaque fluide de travail. Dans le cas de cette invention, la source de chaleur est l'énergie calorifique d'origine solaire stockée dans l'eau des océans et dans l'atmosphère, ou tout simplement notre ambiance naturelle. The steam generator stage must contain at least one steam generator. In general, the function of the steam generator is to allow the heat exchange between the heat source and the organic working fluid, which, under the action of the heat flux passing through the wall, is brought to a boil and is transformed into steam under a certain pressure which is specific for each working fluid. In the case of this invention, the heat source is the calorific energy of solar origin stored in the water of the oceans and in the atmosphere, or quite simply our natural atmosphere.
L'étage de conversion d'énergie doit contenir au moins un groupe de trois réservoirs intermédiaires, ledit groupe appartient aussi à la boucle hydraulique, car, c'est dans le réservoir intermédiaire que se déroule la communication de l'énergie de pression de la vapeur à la boucle hydraulique. The energy conversion stage must contain at least one group of three intermediate reservoirs, said group also belongs to the hydraulic loop, because it is in the intermediate reservoir that the communication of the pressure energy of the steam to the hydraulic loop.
Le cycle thermodynamique spécial n'utilise pas la détente de la vapeur (détente isentropique) comme phase motrice pour produire du travail comme dans le cycle organique de Rankine normal (ORC), mais, il se limite au passage du fluide de travail de l'état liquide à l'état de vapeur, et utilise uniquement la pression de vapeur saturante pour chasser l'eau contenue dans le réservoir intermédiaire pour prendre sa place; l'eau, contrainte de s'échapper à travers l'orifice de sortie vers l'accumulateur de pression, qui est un composant de la boucle hydraulique. À ce stade, l'énergie de pression de la vapeur est
communiquée à un circuit hydraulique, et il ne reste plus qu'à liquéfier partiellement la vapeur; en profitant de sa pression qu'elle a conservée, pour lui faire subir une détente isenthalpique étagée dans la ligne de condensation (qui est une ligne adiabatique) composée d'un nombre de séparateurs de phases alternés par des détendeurs-régulateurs de pression dits aussi soupapes de Joule-Thomson qui fonctionnent selon le principe de Joule-Thomson, qui est un phénomène physique lors duquel la température d'un gaz diminue lorsque ce gaz subit une expansion adiabatique. The special thermodynamic cycle does not use the expansion of vapor (isentropic expansion) as the driving phase to produce work as in the normal organic Rankine cycle (ORC), but, it is limited to the passage of the working fluid from the liquid state in the vapor state, and uses only the saturated vapor pressure to drive out the water contained in the intermediate tank to take its place; the water, forced to escape through the outlet orifice to the pressure accumulator, which is a component of the hydraulic loop. At this point, the vapor pressure energy is communicated to a hydraulic circuit, and all that remains is to partially liquefy the steam; by taking advantage of its pressure which it has retained, to cause it to undergo staged isenthalpic expansion in the condensation line (which is an adiabatic line) composed of a number of phase separators alternated by pressure regulators also called Joule-Thomson valves that operate on the Joule-Thomson principle, which is a physical phenomenon in which the temperature of a gas decreases when that gas undergoes adiabatic expansion.
Chaque réservoir intermédiaire d'un groupe, doit être calorifugé, sa forme doit être de préférence cylindrique à fond bombé, et monté en position verticale. En plus, chaque réservoir doit posséder sur sa partie haute d'une entrée de la vapeur venant du générateur de vapeur, et d'une sortie de la vapeur vers l'étage de liquéfaction. Sur la partie basse, le réservoir doit posséder une entrée d'eau provenant d'une pompe hydraulique, et une sortie d'eau en direction de l'accumulateur de pression. Each intermediate tank of a group must be insulated, its shape must preferably be cylindrical with a domed bottom, and mounted in a vertical position. In addition, each tank must have on its upper part a steam inlet coming from the steam generator, and a steam outlet towards the liquefaction stage. On the lower part, the tank must have a water inlet from a hydraulic pump, and a water outlet in the direction of the pressure accumulator.
L'accumulateur de pression est un réservoir pressurisé. Il est rempli à moitié de son volume par de l'eau douce, et l'autre moitié est occupée par de la vapeur du fluide travail, formant une chambre à vapeur qui le maintient sous pression. Il possède une entrée et une sortie d'eau au niveau de la partie occupée par l'eau, et possède aussi au niveau de la chambre à vapeur d'une entrée équipée d'un régulateur de pression, et une sortie équipée d'une soupape de décharge. The pressure accumulator is a pressurized tank. It is filled half its volume with fresh water, and the other half is occupied by vapor from the working fluid, forming a vapor chamber which keeps it under pressure. It has a water inlet and outlet at the level of the part occupied by the water, and also has at the level of the steam chamber an inlet equipped with a pressure regulator, and an outlet equipped with a relief valve.
La pression à l'intérieur dudit accumulateur de pression doit nécessairement être inférieur à la pression de vapeur saturante qui règne dans le générateur de vapeur et dans le réservoir intermédiaire qui refoule l'eau vers lui; et cette pression doit être maintenue constante par un système de régulation, dans le but de compenser les irrégularités du débit d'eau entrant causées par l'ouverture et la fermeture des vannes du groupe de réservoirs intermédiaires, et pour assurer un débit d'eau constant sortant vers la turbine hydraulique. C'est grâce au régulateur de pression installé sur la conduite d'entrée de la vapeur dans ledit accumulateur, et à la soupape de décharge installée sur la conduite de sortie de la vapeur, que la stabilité de la pression à l'intérieur dudit accumulateur est assurée: quand la pression a tendance à baisser, le régulateur de pression laisse passer le vapeur à l'intérieur de la chambre à vapeur pour compenser cette baisse, et quand la pression tend à augmenter, la soupape de décharge laisse la vapeur s'échapper à l'extérieur de la chambre à vapeur vers la ligne de condensation pour compenser cette augmentation. The pressure inside said pressure accumulator must necessarily be lower than the saturated steam pressure which prevails in the steam generator and in the intermediate tank which discharges the water towards it; and this pressure must be kept constant by a regulating system, for the purpose of compensating for irregularities in the incoming water flow caused by the opening and closing of the valves of the group of intermediate tanks, and to ensure a flow of water constant outgoing to the hydraulic turbine. It is thanks to the pressure regulator installed on the steam inlet pipe in said accumulator, and to the relief valve installed on the steam outlet pipe, that the stability of the pressure inside said accumulator is ensured: when the pressure tends to drop, the pressure regulator lets the steam pass inside the steam chamber to compensate for this drop, and when the pressure tends to increase, the relief valve lets the steam escape. escape outside the vapor chamber to the condensation line to compensate for this increase.
L'écoulement de l'eau du réservoir intermédiaire vers l'accumulateur de pression ne peut, pas avoir lieu si certaines précautions ne sont pas prises, pour cela, la pression à l'intérieur dudit accumulateur doit être maintenue constante et inférieure à celle qui règne dans le réservoir intermédiaire; cette différence de pression influe beaucoup sur la vitesse d'écoulement de l'eau, et sur la section de la conduite qui relie les deux réservoirs. The flow of water from the intermediate tank to the pressure accumulator cannot take place if certain precautions are not taken, for this the pressure inside the said accumulator must be kept constant and lower than that which reigns in the intermediate tank; this pressure difference has a great influence on the flow rate of the water, and on the section of the pipe which connects the two reservoirs.
La turbine hydraulique est indispensable pour transformer l'énergie de pression de l'eau en énergie mécanique de rotation du rotor de la turbine couplé au générateur électrique, et elle a besoin d'un débit d'eau continu et stable; pour garantir un tel débit, il est indispensable d'assurer la continuité d'un apport, d'eau entrant dans l'accumulateur de pression, et garantir un débit régulier et stable sortant en direction de la turbine hydraulique. La continuité du débit entrant est assurée par la méthode de synchronisation décrite ci-dessous, tandis que le débit sortant, il est assuré par l'accumulateur de pression lui-même, car il est équipé d'un système de régulation lui permettant de jouer ce rôle.
La pompe hydraulique est indispensable pour évacuer l'eau du bac et la refouler vers le groupe de réservoirs intermédiaires pour chasser la vapeur détendue et de la forcer à aller vers l'étage de condensation. The hydraulic turbine is indispensable for transforming the water pressure energy into mechanical rotational energy of the turbine rotor coupled to the electric generator, and it needs a continuous and stable water flow; to guarantee such a flow, it is essential to ensure the continuity of a supply of water entering the pressure accumulator, and to guarantee a regular and stable flow leaving in the direction of the hydraulic turbine. The continuity of the inflow is ensured by the synchronization method described below, while the outflow it is ensured by the pressure accumulator itself, since it is equipped with a regulation system allowing it to play this role. The hydraulic pump is essential to evacuate the water from the tank and push it back to the group of intermediate tanks to drive out the expanded steam and force it to go to the condensation stage.
L'étage de liquéfaction de vapeur est constitué par au moins un condenseur comprenant au moins une ligne de condensation. Ladite ligne de condensation est un circuit adiabatique dans lequel se déroule la détente isenthalpique étagée. Elle est constituée par une série de séparateurs de phases intercalés par des détendeurs-régulateurs de pression. Le but du séparateur est de retenir la phase liquide et laisser passer la phase vapeur; et le but du détendeur-régulateur de pression est de faire subir à la vapeur une détente isenthalpique. The vapor liquefaction stage consists of at least one condenser comprising at least one condensation line. Said condensation line is an adiabatic circuit in which staged isenthalpic expansion takes place. It consists of a series of phase separators interposed by pressure regulators. The purpose of the separator is to retain the liquid phase and allow the vapor phase to pass; and the purpose of the pressure reducer-regulator is to cause the steam to undergo isenthalpic expansion.
Line seule détente isenthalpique dans la ligne de condensation donne deux dixièmes de la masse du fluide de travail sous forme de vapeur surchauffée, et le reste, sous forme d'un mélange diphasique majoritairement à l'état de vapeur. Avec une détente isenthalpique étagée composée de deux détentes, le résultat s'améliore, car la vapeur surchauffée est réduite, mais le mélange diphasique reste majoritairement sous forme de vapeur, malheureusement ce n'est pas le but recherché. Avec une détente isenthalpique étagée composée de trois détentes on obtient un bon résultat. Il y a plusieurs possibilités de réaliser les trois détentes isenthalpiques; par exemple: la première détente isenthalpique de 9,5 bars à 7 bars, et la deuxième détente isenthalpique de 7 bars à 2 bars et la troisième détente isenthalpique de 2 bars à 1 bar, et à la fin on obtient un mélange diphasique contenant 20 % de vapeur et 80 % à l'état liquide. Ces valeurs en pourcentages, ne donnent que les proportions de la vapeur non condensée au cours de la deuxième détente isenthalpique, donc, ils n'ont aucun rapport avec la masse totale du contenu du réservoir intermédiaire. Line alone isenthalpic expansion in the line of condensation gives two tenths of the mass of the working fluid in the form of superheated vapor, and the remainder, in the form of a diphasic mixture mainly in the vapor state. With a staged isenthalpic expansion composed of two expansions, the result improves, because the superheated steam is reduced, but the diphasic mixture remains mainly in the form of steam, unfortunately this is not the desired goal. With a stepped isenthalpic trigger composed of three triggers, a good result is obtained. There are several possibilities of realizing the three isenthalpic expansions; for example: the first isenthalpic expansion from 9.5 bars to 7 bars, and the second isenthalpic expansion from 7 bars to 2 bars and the third isenthalpic expansion from 2 bars to 1 bar, and at the end a diphasic mixture containing 20 % vapor and 80% liquid. These percentage values only give the proportions of the non-condensed vapor during the second isenthalpic expansion, therefore they have no relation to the total mass of the contents of the intermediate tank.
Dès le démarrage de la détente isenthalpique étagée, au moment de l'ouverture de la vanne de la sortie de la vapeur du réservoir intermédiaire, on peut considérer que le fluide quittant ledit réservoir est un mélange diphasique. Ce dernier arrive dans le premier séparateur de la ligne de condensation, la phase liquide est retenue, et la phase vapeur continue son chemin vers le premier détendeur-régulateur de pression réglé à 7 bars. Cette première étape de la détente isenthalpique étagée, donne à la sortie dudit régulateur pendant un temps très court une vapeur surchauffée, puis, après un certain temps on obtient un mélange diphasique majoritairement à l'état de vapeur d'une température de 14 °C. Ce mélange diphasique arrive dans le deuxième séparateur, la phase liquide est retenue et la phase vapeur continue son chemin vers le deuxième détendeur-régulateur réglé à 2 bars. Cette deuxième étape de la détente isenthalpique étagée, donne à la sortie dudit régulateur un mélange diphasique ayant une température égale à -26 °C. avec un titrage équilibré. Ce mélange diphasique arrive dans le troisième séparateur, la phase liquide est retenue et la phase vapeur continue son chemin vers le troisième détendeur- régulateur réglé à 1 bar. Cette troisième et dernière étape de la détente isenthalpique étagée, donne à la sortie dudit régulateur un mélange diphasique majoritairement à l'état de liquide ayant une température égale à -42 °C. Ce mélange diphasique arrive dans le quatrième séparateur, la phase liquide est retenue et la phase vapeur est aspirée par un compresseur est réintroduite dans la ligne de condensation pour recyclage. Tous les condensats retenus dans chacun des séparateurs seront soutirés par des pompes à condensat, puis passés dans des échangeurs thermiques pour exploiter leur froid, et pour réchauffer le condensat avant sa réintroduction dans le générateur de vapeur.
Si le volume du réservoir intermédiaire est maintenu constant au cours de la détente, l'échappement de la vapeur vers la ligne de condensation va entraîner une chute de pression de la température et de la matière; ce changement aura des conséquences sur la détente isenthalpique étagée. Ainsi, quand la pression chute à 7 bars, le premier détendeur ne joue plus son rôle, car il est complètement ouvert, et quand la pression chute à 2 bars, le deuxième détendeur ne joue plus son rôle, car il est complètement ouvert, et quand la pression chute à 1 bar, le troisième détendeur ne joue plus son rôle, car il est complètement ouvert. À ce stade, les trois détendeurs régulateurs sont ouverts, et en ce moment ont commence à pomper l'eau à l'intérieur du réservoir intermédiaire, pour le remplir d'eau et pour forcer le mélange diphasique résiduel à aller vers la ligne de condensation. From the start of the staged isenthalpic expansion, at the moment of the opening of the valve for the outlet of the vapor from the intermediate reservoir, it can be considered that the fluid leaving the said reservoir is a two-phase mixture. The latter arrives in the first separator of the condensation line, the liquid phase is retained, and the vapor phase continues its way to the first pressure reducer-regulator set at 7 bars. This first stage of the staged isenthalpic expansion gives the outlet of said regulator a superheated vapor for a very short time, then, after a certain time, a two-phase mixture is obtained, mainly in the vapor state, at a temperature of 14°C. . This two-phase mixture arrives in the second separator, the liquid phase is retained and the vapor phase continues on its way to the second pressure reducer-regulator set at 2 bars. This second step of the stepped isenthalpic expansion gives the outlet of said regulator a two-phase mixture having a temperature equal to -26°C. with a balanced titration. This two-phase mixture arrives in the third separator, the liquid phase is retained and the vapor phase continues on its way to the third pressure reducer-regulator set at 1 bar. This third and final stage of the staged isenthalpic expansion gives, at the outlet of said regulator, a two-phase mixture mainly in the liquid state having a temperature equal to -42°C. This two-phase mixture arrives in the fourth separator, the liquid phase is retained and the vapor phase is sucked up by a compressor and reintroduced into the condensation line for recycling. All the condensates retained in each of the separators will be withdrawn by condensate pumps, then passed through heat exchangers to exploit their cold, and to heat the condensate before reintroducing it into the steam generator. If the volume of the intermediate tank is kept constant during the expansion, the escape of the vapor towards the line of condensation will cause a pressure drop of the temperature and the material; this change will have consequences on the staged isenthalpic expansion. Thus, when the pressure drops to 7 bars, the first regulator no longer plays its role, because it is completely open, and when the pressure drops to 2 bars, the second regulator no longer plays its role, because it is completely open, and when the pressure drops to 1 bar, the third regulator no longer plays its role, because it is completely open. At this point, the three regulator expansion valves are open, and at this moment they have started to pump water inside the intermediate tank, to fill it with water and to force the residual two-phase mixture to go towards the condensation line. .
Chaque séparateur possède une entrées et deux sorties. L'entrée est réservée pour le mélange diphasique liquide- vapeur, et pour les deux sorties: la sortie principale est réservée pour le sous-tirage du condensat; et la sortie secondaire est réservée pour la sortie de la vapeur. Sauf pour le séparateur réservé pour recevoir la vapeur non condensée pour être recyclée, qui, lui possède une deuxième entrée réservée pour recevoir la vapeur issue du compresseur. Each splitter has one input and two outputs. The inlet is reserved for the two-phase liquid-vapor mixture, and for the two outlets: the main outlet is reserved for the condensate draw-off; and the secondary outlet is reserved for the steam outlet. Except for the separator reserved for receiving the non-condensed vapor to be recycled, which has a second inlet reserved for receiving the vapor from the compressor.
L'étage de pompage est constitué par l'ensemble des pompes à condensat; chaque séparateur possède sa propre pompe, dont le rôle est de compresser le condensat pour deux raisons: la première, pour éviter son évaporation dans les conduites, car son passage dans les échangeurs thermiques, entraînera inévitablement une augmentation de sa température; et la seconde raison est de faciliter son introduction dans le générateur de vapeur dans lequel règne une haute pression. The pumping stage consists of all the condensate pumps; each separator has its own pump, the role of which is to compress the condensate for two reasons: first, to prevent its evaporation in the pipes, since its passage through the heat exchangers, will inevitably lead to an increase in its temperature; and the second reason is to facilitate its introduction into the steam generator in which a high pressure prevails.
Le cycle de fonctionnement de chaque réservoir intermédiaire se compose de trois étapes, ces trois étapes se distinguent l'une de l'autre par l'ouverture d'une ou plusieurs des quatre vannes équipant ledit réservoir intermédiaire, et de garder les autres vannes fermées: une première étape d'admission de la vapeur et d'évacuation de l'eau vers l'accumulateur de pression; suivit par la deuxième étape d'échappement isochore de la vapeur vers la ligne de condensation; suivit par la troisième étape de remplissage d'eau et d'évacuation de la vapeur vers la ligne de condensation, l'exécution de chaque étape doit répondre aux conditions suivantes: l'exécution de la première étape est conditionnée par l'envoi d'un signal du détecteur de niveau d'eau haut vers le système numérique de contrôle-commande, ce dernier vérifie si les deux autres étapes dans les deux autres réservoirs sont terminées, dans l'affirmative, il commande l'ouverture simultanée de la vanne d'entrée de la vapeur et celle de la sortie de l'eau vers l'accumulateur de pression, et toutes les autres vannes doivent être fermées, cette situation est maintenue jusqu'à ce que le détecteur de niveau d'eau bas, envoie un signal au système numérique de contrôle-commande; à la réception du signal issu du détecteur de niveau d'eau bas par le système numérique de contrôle-commande, ce dernier vérifie si les deux autres étapes dans les deux autres réservoirs sont terminées, dans l'affirmative, il commande l'exécution de la deuxième étape qui consiste en la fermeture simultanée des vannes ouvertes au cours de la première étape, avant l'ouverture de la vanne de sortie de la vapeur vers l'étage de liquéfaction; toutes les autres vannes doivent être fermées. Cette étape correspond à la détente de la vapeur, et se termine lorsque la pression à l'intérieur du réservoir
intermédiaire chute à 1 bar. En ce moment, le capteur de pression envoie un signal au système numérique de contrôle-commande, marquant ainsi la fin de cette étape; à la réception du signal issu du capteur de pression d'eau bas par le système numérique de contrôle-commande, ce dernier vérifie si les deux autres étapes dans les deux autres réservoirs sont terminées, dans l'affirmative, il commande l'exécution de la troisième étape, qui consiste en l'ouverture de la vanne d'entrée d'eau dans le réservoir intermédiaire tout en maintenant la vanne de sortie de la vapeur ouverte, et les autres vannes doivent être fermées. Cette étape correspond à l'évacuation de la vapeur résiduelle détendue, et au remplissage du réservoir en eau pour le préparer à un nouveau cycle. Cette étape se termine avec le remplissage du réservoir en eau, et. il est signalé au système de contrôle-commande par le détecteur de niveau d'eau haut. The operating cycle of each intermediate tank consists of three stages, these three stages are distinguished from each other by the opening of one or more of the four valves fitted to said intermediate tank, and keeping the other valves closed : a first step of admitting steam and discharging water to the pressure accumulator; followed by the second stage of isochoric exhaust of steam to the condensation line; followed by the third stage of water filling and steam evacuation to the condensation line, the execution of each stage must meet the following conditions: the execution of the first stage is conditioned by the sending of a signal from the high water level detector to the digital control-command system, the latter checks whether the other two stages in the other two tanks have been completed, if so, it controls the simultaneous opening of the valve d steam inlet and water outlet to the pressure accumulator, and all other valves must be closed, this situation is maintained until the low water level sensor sends a signal to the digital control-command system; on receipt of the signal from the low water level detector by the digital control-command system, the latter checks whether the other two stages in the other two tanks have been completed, if so, it orders the execution of the second stage which consists of the simultaneous closing of the valves opened during the first stage, before the opening of the valve for the outlet of the steam to the liquefaction stage; all other valves must be closed. This stage corresponds to the expansion of the steam, and ends when the pressure inside the tank intermediate drops to 1 bar. At this moment, the pressure sensor sends a signal to the digital control-command system, thus marking the end of this stage; on receipt of the signal from the low water pressure sensor by the digital control-command system, the latter checks whether the other two stages in the other two tanks have been completed, if so, it commands the execution of the third stage, which consists of opening the water inlet valve in the intermediate tank while keeping the steam outlet valve open, and the other valves must be closed. This step corresponds to the evacuation of the expanded residual steam, and the filling of the tank with water to prepare it for a new cycle. This stage ends with the filling of the tank with water, and. it is signaled to the control-command system by the high water level detector.
La méthode de synchronisation du fonctionnement d'un groupe de réservoirs intermédiaires se base sur le cycle de fonctionnement d'un seul réservoir intermédiaire; et elle vise à assurer une continuité d'un courant d'eau vers la boucle hydraulique de telle sorte que, quand l'évacuation de l'eau vers la boucle hydraulique se termine dans un réservoir, elle doit reprendre dans le réservoir suivant. Puisque le cycle de fonctionnement d'un réservoir se compose de trois étapes, alors un groupe de trois réservoirs intermédiaires répond parfaitement à cette exigence, la méthode de synchronisation consiste donc à faire exécuter les trois étapes en même temps, mais, chacune dans un réservoir différent. Ainsi, au cours d'un fonctionnement normal, quand la première étape est en train de s'exécuter dans le premier réservoir, la troisième étape doit être en cours d'exécution dans le deuxième, et la deuxième étape doit être en cours d'exécution dans le troisième réservoir, les étapes doivent commencer simultanément, à condition que les étapes soient terminées dans les trois réservoirs, cette méthode nécessite un système numérique de contrôle commande. The method of synchronizing the operation of a group of intermediate tanks is based on the operation cycle of a single intermediate tank; and it aims to ensure a continuity of a water flow towards the hydraulic loop so that, when the evacuation of the water towards the hydraulic loop ends in a tank, it must resume in the next tank. Since the cycle of operation of a tank consists of three stages, then a group of three intermediate tanks perfectly meets this requirement, the synchronization method therefore consists in having the three stages run at the same time, but, each in a tank different. So, during normal operation, when the first stage is running in the first tank, the third stage should be running in the second, and the second stage should be running. execution in the third tank, the steps must start simultaneously, provided that the steps are completed in all three tanks, this method requires a digital control system.
Les propriétés physiques du propane: il n'est soluble dans l'eau qu'en quantité très infime (75 milligrammes par litre à 20°C), donc sa mise en contact avec l'eau ne pose pas de problème pour le bon fonctionnement du cycle thermodynamique, surtout dans les conditions où il est mis en contact direct avec l'eau, comme c'est le cas dans les réservoirs intermédiaires, et dans l'accumulateur de pression; En plus de son bas point d'ébullition (- 42 °C) et sa bonne pression de vapeur saturante à température ambiante (océans et atmosphère) dans les régions tropicales (où la température est de l'ordre de 25 °C, ce qui correspond à une pression de 9,5 bars environ.); en plus de la disponibilité de son diagramme enthalpique de MolUer sur lequel est tracé le cycle de travail selon le fonctionnement dudit convertisseur objet de cette invention. The physical properties of propane: it is only soluble in water in very small quantities (75 milligrams per liter at 20°C), so bringing it into contact with water does not pose a problem for proper operation of the thermodynamic cycle, especially in the conditions where it is placed in direct contact with water, as is the case in the intermediate reservoirs, and in the pressure accumulator; In addition to its low boiling point (-42°C) and its good saturation vapor pressure at ambient temperature (oceans and atmosphere) in tropical regions (where the temperature is around 25°C, which corresponds to a pressure of approximately 9.5 bar.); in addition to the availability of its MolUer enthalpy diagram on which is plotted the work cycle according to the operation of said converter object of this invention.
L'usage du propane comme fluide de travail dans ledit convertisseur objet de cette invention permet d'extraire des calories des milieux dont la température est comprise ente -15 °C, à 80 °C; pour des températures comprises entre -15 °C à 30 °C, le convertisseur produit du froid en plus de l'électricité, et entre 30 °C et 80 °C, il a tendance à produire de la chaleur en plus de l'électricité. The use of propane as a working fluid in said converter which is the subject of this invention makes it possible to extract calories from media whose temperature is between -15° C. and 80° C.; for temperatures between -15°C to 30°C, the converter produces cold in addition to electricity, and between 30°C and 80°C, it tends to produce heat in addition to electricity .
L'écart de température entre le point d'ébullition et le point critique est très intéressant. D'un point de vue théorique, et selon le convertisseur proposé par cette invention, tout cycle tracé entre ces températures extrêmes doit fonctionner pour produire de l'électricité avec une efficacité plus ou moins bonne selon l'aplatissement du cycle.
Alors, il y a plusieurs possibilités de tracer des cycles différents, qui peuvent être classés en trois catégories. Une catégorie qui produit de l'électricité et du froid, une catégorie qui produit de l'électricité, et une catégorie qui produit de la chaleur et de l'électricité, il y a aussi la possibilité de faire un cycle étagé, pour produire de l'électricité de la chaleur et du froid en même temps. Le plus important dans cette possibilité est rendre le convertisseur applicable dans tous les endroits de la terre, car l'eau liquide existe même sous la banquise dans les régions polaires. The temperature difference between the boiling point and the critical point is very interesting. From a theoretical point of view, and according to the converter proposed by this invention, any cycle traced between these extreme temperatures must operate to produce electricity with more or less good efficiency depending on the flattening of the cycle. So, there are several possibilities to draw different cycles, which can be classified into three categories. A category that produces electricity and cold, a category that produces electricity, and a category that produces heat and electricity, there is also the possibility of making a staged cycle, to produce electricity from heat and cold at the same time. The most important thing in this possibility is to make the converter applicable in all places of the earth, because liquid water exists even under the ice floe in the polar regions.
Cas des régions tempérées, où la température de l'eau de mer est de 25 degrés Celsius. À cette température, le propane: gaz de pétrole liquéfié(GPL), a une pression de vapeur saturante égale à 8,5 bars(pression relative), et un volume massique de 50 litres, comme si 1 kg de propane, en se vaporisant, il est capable de déplacer un volume d'eau à une hauteur de 85 mètres , ce qui représente une énergie potentielle Ep = m.g.h - 42,5 KJ. Même avec une turbine hydraulique de mauvais rendement 75 %, et compte tenu d'une consommation d'énergie électrique pour alimenter les auxiliaires de l'unité, le bilan global restera supérieur à 50 %. Case of temperate regions, where the sea water temperature is 25 degrees Celsius. At this temperature, propane: liquefied petroleum gas (LPG), has a saturation vapor pressure equal to 8.5 bars (relative pressure), and a specific volume of 50 liters, as if 1 kg of propane, vaporizing , it is able to move a volume of water at a height of 85 meters, which represents a potential energy Ep = m.g.h - 42.5 KJ. Even with a hydraulic turbine with poor efficiency of 75%, and taking into account the consumption of electrical energy to supply the unit's auxiliaries, the overall balance will remain above 50%.
Cas d'une source chaude, où la température de l'eau est de 78 degrés Celsius. À cette température, le propane: gaz de pétrole liquéfié(GPL), a une pression de vapeur saturante égale à 30 bar(relative). Une telle pression n'aura aucun effet sur le rendement de l'installation fonctionnant selon le procédé objet, de cette invention, mais aura des conséquences sur le coût des équipements qui va augmenter énormément, alors, ici un changement du fluide travail s'impose, le butane ou l'isobutane ou autres, seront mieux adaptés à ce genre de situation. Case of a hot spring, where the water temperature is 78 degrees Celsius. At this temperature, propane: liquefied petroleum gas (LPG), has a saturation vapor pressure equal to 30 bar (relative). Such a pressure will have no effect on the performance of the installation operating according to the object process of this invention, but will have consequences on the cost of the equipment which will increase enormously, so here a change of the working fluid is necessary. , butane or isobutane or others, will be better suited to this type of situation.
Cas des régions froides, où la température de l'eau de mer est voisine de zéro degré Celsius. À cette température, le propane gaz de pétrole liquéfié(GPL), a une pression de vapeur saturante égale à 5 bars(pression relative), et un volume massique de 100 litres, si on convertit cette énergie de pression en énergie potentielle Ep = mgh = 40 Kj. L'avantage de travailler avec des basses pressions, est la possibilité d'utiliser la matière plastique moins cher. Case of cold regions, where the sea water temperature is close to zero degrees Celsius. At this temperature, propane liquefied petroleum gas (LPG), has a saturation vapor pressure equal to 5 bars (relative pressure), and a specific volume of 100 liters, if we convert this pressure energy into potential energy Ep = mgh = 40 Kj. The advantage of working with low pressures is the possibility of using less expensive plastic material.
Selon une réalisation particulière préférée, et conformément au convertisseur proposé par cette invention, elle consiste en une micro-installation individuelle d'une puissance d'un kilowatt (1 KW). la conception d'une telle installation dépend des paramètres liés au lieu de travail; du choix du fluide de travail; et des paramètres dépendants de la géométrie de la machine; ces derniers paramètres dépendent du choix du concepteur d'un tel projet. According to a particular preferred embodiment, and in accordance with the converter proposed by this invention, it consists of an individual micro-installation with a power of one kilowatt (1 KW). the design of such an installation depends on the parameters of the workplace; the choice of working fluid; and parameters dependent on the geometry of the machine; these last parameters depend on the choice of the designer of such a project.
Le lieu impose la température ambiante (eau de mer ou atmosphère); et le choix du fluide de travail impose une pression de vapeur saturante, et par conséquent impose la vitesse de l'eau qui.agit.sur.la.turbine.hydraulique.
La puissance de l'installation est. le choix du concepteur. Ce choix peut varier d'une installation de quelques kilowatts, à des installations de l'ordre du gigawatt, voire même plus. Généralement ce qui fait la différence entre une petite et une grande installation est le nombre des générateurs de vapeur constituant l'étage des générateurs de vapeur ; le nombre de groupes de réservoirs intermédiaires et le volume des réservoirs, le nombre des boucles hydrauliques et les dimensions de la turbine ou des turbines hydrauliques, ainsi que le nombre des lignes de condensation. The place imposes the ambient temperature (sea water or atmosphere); and the choice of the working fluid imposes a saturation vapor pressure, and consequently imposes the speed of the water which.acts.on.the.hydro.turbine. The power of the installation is. designer's choice. This choice can vary from an installation of a few kilowatts, to installations of the order of a gigawatt, or even more. Generally what makes the difference between a small and a large installation is the number of steam generators constituting the stage of the steam generators; the number of groups of intermediate tanks and the volume of the tanks, the number of hydraulic loops and the dimensions of the turbine or hydraulic turbines, as well as the number of condensation lines.
En ce qui concerne l'installation d'une puissance d'un kilowatt, on part d'une température ambiante T = 25 °C; le propane est le fluide travail, sa pression de vapeur saturante = 9,5 bars, volume massique = 50 litres; la pression à l'intérieur de l'accumulateur de pression qui alimente en eau la turbine hydraulique est fixée à 9 bars, à partir de cette pression on calcule la vitesse de l'eau qui agit sur la turbine hydraulique cette vitesse est de 40 m/s environ, avec un débit massique de 1,25 kg/s d'eau. la durée d'un cycle qui est en relation avec le volume des réservoirs intermédiaires, et la vitesse de liquéfaction de la vapeur. Dans le cas de l'installation d'une puissance d'un kilowatt, une durée de 5 minutes par cycle est raisonnable, ceci impose un volume des réservoirs intermédiaires de 125 litres chacun, et des réservoirs des séparateurs de phases d'un volume de 5 litres chacun, la vitesse de liquéfaction de la vapeur joue un rôle important sur la durée du cycle, puisque la vitesse de la vapeur doit être dans les normes, une vitesse de 30 m est raisonnable, et il faut adapter la section des conduites dans lesquelles circule la vapeur. la surface d'échange de chaleur d'un tube en cuivre de diamètre 25 mm, d'épaisseur 3 mm, et d'une longueur de 2,5 m, est capable de générer 1,25 litres de vapeur par seconde. With regard to the installation of a power of one kilowatt, we start from an ambient temperature T = 25 °C; propane is the working fluid, its saturated vapor pressure = 9.5 bars, specific volume = 50 liters; the pressure inside the pressure accumulator which supplies water to the hydraulic turbine is fixed at 9 bars, from this pressure the speed of the water which acts on the hydraulic turbine is calculated, this speed is 40 m /s approximately, with a mass flow of 1.25 kg/s of water. the duration of a cycle which is related to the volume of the intermediate tanks, and the speed of liquefaction of the steam. In the case of the installation of a power of one kilowatt, a duration of 5 minutes per cycle is reasonable, this imposes a volume of the intermediate tanks of 125 liters each, and the tanks of the phase separators of a volume of 5 liters each, the speed of liquefaction of the steam plays an important role on the duration of the cycle, since the speed of the steam must be within the standards, a speed of 30 m is reasonable, and the section of the pipes must be adapted in which the steam circulates. the heat exchange surface of a copper tube with a diameter of 25 mm, a thickness of 3 mm, and a length of 2.5 m, is capable of generating 1.25 liters of steam per second.
Selon une réalisation préférée du convertisseur objet de cette invention, qui consiste à installer tous les composants du convertisseur à bord d'une plate-forme flottante ou fixe, installée en mer non loin de la côte. Une telle installation est dite une installation maritime, elle bénéficie des avantages de la capacité thermique élevée de l'eau, et de l'agitation incessante de l'eau de mer qui se renouvelle d'elle-même en permanence, ce qui permet de faire des économies concernant la surface d'échange de chaleur des générateurs de vapeur. According to a preferred embodiment of the converter object of this invention, which consists in installing all the components of the converter on board a floating or fixed platform, installed at sea not far from the coast. Such an installation is called a maritime installation, it benefits from the advantages of the high heat capacity of water, and the incessant agitation of seawater which is constantly renewing itself, which makes it possible to to save on the heat exchange surface of the steam generators.
En plus de la production d'électricité, l'installation peut utiliser en partie ou en totalité l'électricité produite, pour le dessalement d'eau de mer. Pour faciliter l'accès à plate-forme, et faciliter le raccordement électrique au réseau publique et le raccordement de la tuyauterie aux installations implantées à terre, il serait judicieux qu'elle soit très
proche de la côte. Il est indispensable de veiller à ce que les générateurs de vapeur scient en permanence immergés dans l'eau. Dans une installation maritime, l'utilisation du propane ou autre fluide similaire comme fluide travail est le bon choix. In addition to the production of electricity, the installation can use all or part of the electricity produced, for the desalination of sea water. To facilitate access to the platform, and facilitate the electrical connection to the network public and the connection of the piping to the installations located on land, it would be wise for it to be very close to the coast. It is essential to ensure that the steam generators saw permanently submerged in water. In a marine installation, the use of propane or other similar fluid as the working fluid is the right choice.
Selon une autre réalisation préférée du convertisseur objet de cette invention, qui consiste à monter uniquement l'étage générateur de vapeur à bord d'une plate-forme flottante comme indique précédemment, tout le reste de l'installation sera implanté à terre. Une telle installation bénéficie des avantages d'une installation maritime, et des avantages d'une installation à terre qui évite au personnel qui veille sur la bonne marche de l'installation de se déplacer vers la plate-forme flottante. Dans ce type d'installation, l'usage du propane où un autre fluide similaire comme fluide travail est le bon choix. According to another preferred embodiment of the converter which is the subject of this invention, which consists in mounting only the steam generator stage on board a floating platform as indicated previously, all the rest of the installation will be installed on land. Such an installation benefits from the advantages of a maritime installation, and from the advantages of an installation on land which avoids the personnel who watch over the smooth running of the installation having to move towards the floating platform. In this type of installation, the use of propane or another similar fluid as the working fluid is the right choice.
Selon une autre réalisation préférée du convertisseur objet de cette invention, consiste à monter tous les étages constituant le convertisseur à bord d'un grand bateau ou à bord d'un sous-marin pour produire de l'électricité pour la propulsion et pour tous les autres services à bord, y compris la production d'eau douce. Une telle réalisation aura des conséquences positives sur le transport maritime international. L'utilisation du propane ou un autre fluide similaire comme fluide travail est le bon choix. According to another preferred embodiment of the converter object of this invention, consists in mounting all the stages constituting the converter on board a large boat or on board a submarine to produce electricity for the propulsion and for all the other services on board, including the production of fresh water. Such an achievement will have positive consequences for international shipping. Using propane or another similar fluid as the working fluid is the correct choice.
Selon une autre réalisation préférée du convertisseur objet de cette invention, consiste à monter tous les étages constituant ledit convertisseur à terre. Une telle installation est dite une installation terrestre ou atmosphérique, et elle exige une surface d'échange thermique plus grande et une ventilation, et donc un investissement plus grand. Mais dans certaines conditions, une telle installation peut s'avérer très utile voire même indispensable, comme par exemple l'électrification des endroits isolés. According to another preferred embodiment of the converter which is the subject of this invention, consists in mounting all the stages constituting said converter on the ground. Such an installation is called a terrestrial or atmospheric installation, and it requires a larger heat exchange surface and ventilation, and therefore a greater investment. But under certain conditions, such an installation can prove to be very useful or even essential, such as for example the electrification of isolated places.
Selon une autre réalisation préférée du convertisseur objet de cette invention, consiste à pomper l'eau de mer vers une installation terrestre. Si le problème de la disponibilité de l'espace tout près de la mer ne se pose pas pour l'implantation de la station, malgré la consommation inévitable de l'énergie électrique par les pompes, l'installation sera plus avantageuse en comparaison avec une installation atmosphérique utilisant l'air comme source de chaleur chaleur. According to another preferred embodiment of the converter which is the subject of this invention, consists in pumping sea water towards an onshore installation. If the problem of the availability of space very close to the sea does not arise for the establishment of the station, despite the inevitable consumption of electrical energy by the pumps, the installation will be more advantageous in comparison with a atmospheric installation using air as a heat source.
Selon une autre réalisation préférée du convertisseur objet de cette invention, est d'utiliser ledit convertisseur pour produire de l'électricité et du froid. Dans ce cas il faut installer le générateur de vapeur du dudit convertisseur dans l'endroit dont on veut extraire les calories, comme par exemple: une chambre froide. According to another preferred embodiment of the converter object of this invention, is to use said converter to produce electricity and cold. In this case, the steam generator of said converter must be installed in the place from which the calories are to be extracted, such as for example: a cold room.
Selon une autre réalisation préférée du convertisseur objet de cette invention, est d'utiliser le principe de fonctionnement dudit convertisseur pour produire de l'électricité en fabriquant des modèles réduits de quelques kilowatts pour usage personnel, montés sur des chariots mobiles. According to another preferred embodiment of the converter object of this invention, is to use the operating principle of said converter to produce electricity by manufacturing scale models of a few kilowatts for personal use, mounted on mobile carts.
Brève description des dessins Brief description of the drawings
Dans les dessins qui illustrent l'invention, la figure 1 est un tracé du cycle thermodynamique spécial sur un diagramme enthalpique de Mollier du propane R-290, illustrant les différentes transformations subites par le propane au cours de ce cycle.
la figure 2 est une illustration des différents étages du cycle thermodynamique spécial, représentant symboliquement l'étage des générateurs de vapeur; l'étage de conversion d'énergie contenant un groupe de 3 réservoirs intermédiaires et la boucle hydraulique; l'étage de liquéfaction contenant une ligne de condensation avec les séparateurs de phases et les détendeurs-régulateurs de pression; et enfin les pompes à condensat et le compresseur de la vapeur résiduelle non condensée y compris les échangeurs thermiques de récupération du froid pour autres usage divers. la figure 3 est une représentation schématique d'un réservoir intermédiaire et les accessoires nécessaires pour son fonctionnement normal; les lignes discontinues représentent les circuits reliant les différents capteurs avec le système numérique de contrôle-commande, et les circuits de commande des actionneurs qui exécutent l'ouverture ou la fermeture des différentes vannes. In the drawings which illustrate the invention, FIG. 1 is a plot of the special thermodynamic cycle on a Mollier enthalpy diagram of propane R-290, illustrating the various transformations undergone by propane during this cycle. FIG. 2 is an illustration of the various stages of the special thermodynamic cycle, symbolically representing the stage of the steam generators; the energy conversion stage containing a group of 3 intermediate tanks and the hydraulic loop; the liquefaction stage containing a condensation line with phase separators and pressure regulators; and finally the condensate pumps and the non-condensed residual steam compressor including the cold recovery heat exchangers for other miscellaneous uses. Figure 3 is a schematic representation of an intermediate tank and the accessories necessary for its normal operation; the broken lines represent the circuits connecting the various sensors with the digital control-command system, and the control circuits of the actuators which perform the opening or closing of the various valves.
Description détaillée: Detailed description:
Le diagramme qui convient le mieux pour tracer le cycle thermodynamique spécial, est le diagramme enthalpique de Mollier du propane. Ce diagramme est connu aussi sous le nom du diagramme des frigoristes, qui est un diagramme spécifique pour chaque fluide de travail. C'est un diagramme de grande utilité pour le traçage du cycle thermodynamique. Il permet d'effectuer la lecture directe de certains paramètres, l'abscisse (barre horizontale) désigne la valeur de l'enthalpie massique (en KJ/Kg) et en ordonné (barre verticale), la valeur de la pression (en bar absolu) à l'échelle logarithmique, les lignes verticales désignent des isenthalpes, et les lignes horizontales désignent des isobares. La courbe de saturation en forme de cloche définit l'état du fluide de travail, avec à son sommet le point critique de ce dernier. Les isotitres représentent le rapport de la masse de la vapeur par rapport à la masse totale du fluide. Les isochores représentent des courbes où le volume ne change pas au cours d'une transformation, elles se coupent avec la courbe de rosée (coté gauche), traversent la courbe de saturation tout en tendant vers les basses pressions, et s'approchant de plus en plus de la courbe d'évaporation (côté droit) sans se couper avec elle. The diagram which best suits to trace the special thermodynamic cycle, is the Mollier enthalpy diagram of propane. This diagram is also known as the refrigeration diagram, which is a specific diagram for each working fluid. It is a very useful diagram for tracing the thermodynamic cycle. It allows direct reading of certain parameters, the abscissa (horizontal bar) designates the value of the mass enthalpy (in KJ/Kg) and the ordinate (vertical bar), the value of the pressure (in absolute bar ) on the logarithmic scale, vertical lines denote isenthalps, and horizontal lines denote isobars. The bell-shaped saturation curve defines the state of the working fluid, with its critical point at its peak. Isotiters represent the ratio of the mass of the vapor to the total mass of the fluid. Isochores represent curves where the volume does not change during a transformation, they intersect with the dew curve (left side), cross the saturation curve while tending towards low pressures, and approaching more in addition to the evaporation curve (right side) without intersecting with it.
Le propane possède des propriétés physiques intéressantes. D'abord, il n'est soluble dans l'eau qu'en quantité très infime (75 milligrammes par litre à 20°c), donc sa mise en contact avec l'eau ne pose pas de problème pour le fonctionnement du cycle thermodynamique; mais le circuit d'eau contaminé doit être confiné. À 25°c (température supposée celle du milieu où est placé le générateur de vapeur), sa pression de vapeur saturante est égale à 9,5 bars environ, et son volume massique est égal à 50 litres environ, et c'est précisément ses deux propriétés qui seront exploitées pour produire un travail utile, le propane possède un point d'ébullition très bas -42°C, il permet de produire du froid par la méthode de liquéfaction de la vapeur. La température du point critique 97,5°C élevée permet d'exploiter d'autres sources de chaleur de récupération de température inférieur 90° c. Propane has interesting physical properties. First, it is only soluble in water in very small quantities (75 milligrams per liter at 20°C), so bringing it into contact with water does not pose a problem for the operation of the thermodynamic cycle. ; but the contaminated water circuit must be contained. At 25°C (temperature assumed to be that of the environment where the steam generator is placed), its saturation vapor pressure is equal to approximately 9.5 bars, and its specific volume is equal to approximately 50 liters, and this is precisely its two properties that will be exploited to produce useful work, propane has a very low boiling point -42°C, it can produce cold by the steam liquefaction method. The high critical point temperature of 97.5°C makes it possible to exploit other sources of recovery heat with a temperature below 90°C.
Conformément au convertisseur proposé par cette invention, et en se référant aux dessins, la figure 1 montre le tracé du cycle thermodynamique spécial sur le diagramme de Mollier du propane. La température du lieu (eau de mer ou atmosphère) est supposée égale à 25°C. Le tracé dudit cycle illustre les différentes transformations subites par le propane depuis son introduction dans le générateur de vapeur à l'état liquide. Le segment de droite horizontal (1-2) représente le processus isobare d'évaporation qui se déroule dans le générateur de vapeur. L'escalier représenté par les segments (2-6, 6-9, 9-7, 7-10,
10-8, 8-3), représente la détente isenthalpique étagée. Le segment (3-4) représente une transformation isobare secondaire, et enfin, les segments (4-5 et 5-1) représentent la compression du condensat pour pouvoir l'injecter dans le générateur de vapeur. In accordance with the converter provided by this invention, and with reference to the drawings, Figure 1 shows the plot of the special thermodynamic cycle on the Mollier diagram of propane. The temperature of the place (sea water or atmosphere) is assumed to be equal to 25°C. The plot of said cycle illustrates the various transformations undergone by propane since its introduction into the steam generator in the liquid state. The horizontal line segment (1-2) represents the isobaric evaporation process that takes place in the steam generator. The staircase represented by the segments (2-6, 6-9, 9-7, 7-10, 10-8, 8-3), represents staged isenthalpic relaxation. The segment (3-4) represents a secondary isobaric transformation, and finally, the segments (4-5 and 5-1) represent the compression of the condensate in order to be able to inject it into the steam generator.
Conformément au convertisseur proposé par cette invention, et en se référant aux dessins, la figure 2 est une représentation schématique très simplifiée et comportant le minimum d'équipements, elle représente les étages constituants l'installation dudit convertisseur: l'étage des générateurs de vapeur (11) doit contenir au moins un générateur de vapeur (110); et l'étage de conversion d'énergie de la vapeur (12) doit contenir au moins un groupe de trois réservoirs intermédiaires (15); l'étage de liquéfaction de la vapeur (13) doit contenir au moins un condenseur comprenant au minimum une ligne de condensation; et enfin, l'étage de pompage (14) constitué par l'ensemble des pompes à condensats (42) et par le compresseur (43) de la vapeur non condensée. Toujours selon la figure 2, la boucle hydraulique est un circuit hydraulique confiné (pour éviter tout contact direct de l'eau avec l'atmosphère, car elle contient des traces du propane en solution), dans lequel circule de l'eau douce en circuit fermé. Ladite boucle est constituée par le groupe de réservoirs intermédiaires (15) appartenant aussi au cycle thermodynamique spécial; d'un accumulateur de pression (16); d'une turbine hydraulique (19) couplée à un générateur électrique (20); d'un bac à eau (17) pour recevoir l'eau quittant le turbine (19); et d'une pompe hydraulique (18). Le rôle de cette dernière est d'évacuer l'eau du bac (1.7) et la refouler vers ledit réservoir intermédiaire (15) disponible. In accordance with the converter proposed by this invention, and with reference to the drawings, FIG. 2 is a very simplified schematic representation and comprising the minimum of equipment, it represents the stages constituting the installation of the said converter: the stage of the steam generators (11) must contain at least one steam generator (110); and the steam energy conversion stage (12) must contain at least one group of three intermediate tanks (15); the steam liquefaction stage (13) must contain at least one condenser comprising at least one condensation line; and finally, the pumping stage (14) consisting of all the condensate pumps (42) and the compressor (43) of the non-condensed steam. Still according to figure 2, the hydraulic loop is a confined hydraulic circuit (to avoid any direct contact of water with the atmosphere, because it contains traces of propane in solution), in which fresh water circulates in circuit farm. Said loop is constituted by the group of intermediate reservoirs (15) also belonging to the special thermodynamic cycle; a pressure accumulator (16); a hydraulic turbine (19) coupled to an electric generator (20); a water pan (17) to receive water leaving the turbine (19); and a hydraulic pump (18). The role of the latter is to evacuate the water from the tank (1.7) and push it back to said intermediate tank (15) available.
Toujours selon la figure 2. Le fonctionnement de la boucle hydraulique dépend totalement du fonctionnement du cycle thermodynamique spécial, l'échange d'énergie entre ces deux circuits se déroule dans le réservoir intermédiaire (15), grâce à la pression de la vapeur exercée sur l'eau contenue dans ledit réservoir (15), qu'elle est contrainte de s'échapper vers l'accumulateur de pression (16), qui est un réservoir pressurisé, jouant le rôle de régulateur de débit, car il est conçu pour supporter les irrégularités sur son entrée (160), et fournir un débit d'eau constant, sur sa sortie (161) pour alimenter une turbine hydraulique (19); après avoir quitté ladite turbine (19), l'eau est recueillie dans un bac (17), puis aspirée par une pompe hydraulique (18), et refoulée vers le réservoir intermédiaire disponible (15). Still according to Figure 2. The operation of the hydraulic loop depends totally on the operation of the special thermodynamic cycle, the exchange of energy between these two circuits takes place in the intermediate tank (15), thanks to the pressure of the steam exerted on the water contained in said tank (15), that it is forced to escape towards the pressure accumulator (16), which is a pressurized tank, acting as a flow regulator, since it is designed to support irregularities on its inlet (160), and providing a constant flow of water, on its outlet (161) to power a hydraulic turbine (19); after leaving said turbine (19), the water is collected in a tank (17), then sucked up by a hydraulic pump (18), and pushed back to the available intermediate reservoir (15).
Toujours selon la figure 2, l'accumulateur de pression (16) est un réservoir pressurisé. Il possède une entrée (160) et une sortie (161) d'eau au niveau de la partie occupée par l'eau, et possède aussi une entrée (162) et une sortie (163) de la vapeur au niveau de la chambre à vapeur. Il est rempli à moitié de son volume par de l'eau douce (22), et l'autre moitié est occupée par de la vapeur du fluide travail, formant une chambre à vapeur (21) qui le maintient sous pression; cette chambre à vapeur est alimentée en vapeur à partir du générateur de vapeur à travers un régulateur de pression (164) installé à l'entrée de la vapeur (162); et l'échappement se fait par une soupape de décharge (165) installée à la sortie de la vapeur (163) vers la ligne de condensation. Still according to Figure 2, the pressure accumulator (16) is a pressurized tank. It has a water inlet (160) and an outlet (161) at the level of the part occupied by the water, and also has a steam inlet (162) and an outlet (163) at the level of the chamber to steam. It is filled half of its volume with fresh water (22), and the other half is occupied by steam from the working fluid, forming a steam chamber (21) which keeps it under pressure; this steam chamber is supplied with steam from the steam generator through a pressure regulator (164) installed at the steam inlet (162); and exhaust is through a relief valve (165) installed at the steam outlet (163) to the condensing line.
La pression à l'intérieur dudit accumulateur de pression (16) doit nécessairement être inférieur à la pression de vapeur saturante qui règne dans le générateur de vapeur (110) et dans le réservoir intermédiaire (15) qui refoule l'eau vers lui, et elle doit être maintenue constante. Le système de régulation constitué par le régulateur de pression (164) et par la soupape de décharge (165) veille à maintenir une pression préréglée
constante pour compenser les irrégularités du débit d'eau entrant causées par l'ouverture et la fermeture des vannes (25) du groupe de réservoirs intermédiaires (15), et pour assurer un débit d'eau constant sortant vers la turbine hydraulique: quand la pression tend vers la baisse, le régulateur (164) laisse passer la vapeur pour compenser cette baisse, et quand la pression tend à augmenter, la soupape de décharge (165) laisse la vapeur s'échapper vers la ligne de condensation. Conformément au convertisseur objet de cette invention et en se référant aux dessins, la figure 3, chaque réservoir intermédiaire (15) d'un groupe, doit être calorifugé, sa forme doit être de préférence cylindrique, et monté en position verticale. En plus, chaque réservoir doit posséder sur sa partie haute une entrée de la vapeur (24) venant du générateur de vapeur, équipée d'une vanne d'arrêt motorisée (23) et une sortie de la vapeur (26) vers l'étage de liquéfaction équipée d'une vanne d'arrêt motorisée (25. Sur sa partie basse, il doit posséder une entrée d'eau (30) venant de la pompe de la boucle hydraulique, équipée d'une vanne d'arrêt motorisée (29) et une sortie d'eau (28) vers l'accumulateur de pression équipées d'une vanne d'arrêt motorisée (27). Toutes les vannes d'arrêts motorisées sont asservis par le système numérique de contrôle-commande. Chaque réservoir intermédiaire doit être équipé de capteurs, tels que des détecteurs de niveau d'eau (31) et (32), et des capteurs de pression (33). The pressure inside said pressure accumulator (16) must necessarily be lower than the saturated steam pressure which prevails in the steam generator (110) and in the intermediate tank (15) which discharges the water towards it, and it must be kept constant. The regulation system consisting of the pressure regulator (164) and the relief valve (165) ensures that a preset pressure is maintained constant to compensate for irregularities in the inflow of water caused by the opening and closing of the valves (25) of the group of intermediate tanks (15), and to ensure a constant flow of water outgoing towards the hydraulic turbine: when the pressure tends to drop, the regulator (164) allows the steam to pass to compensate for this drop, and when the pressure tends to increase, the relief valve (165) lets the steam escape to the condensation line. According to the converter object of this invention and with reference to the drawings, Figure 3, each intermediate tank (15) of a group must be insulated, its shape must preferably be cylindrical, and mounted in a vertical position. In addition, each tank must have on its upper part a steam inlet (24) coming from the steam generator, equipped with a motorized shut-off valve (23) and a steam outlet (26) towards the floor of liquefaction equipped with a motorized stop valve (25. On its lower part, it must have a water inlet (30) coming from the pump of the hydraulic loop, equipped with a motorized stop valve (29 ) and a water outlet (28) to the pressure accumulator equipped with a motorized shut-off valve (27). All the motorized shut-off valves are controlled by the digital control-command system. Each intermediate tank must be equipped with sensors, such as water level detectors (31) and (32), and pressure sensors (33).
Toujours selon la figure 3, le cycle de fonctionnement de chaque réservoir intermédiaire se compose de trois étapes, ces trois étapes se distinguent l'une de l'autre par l'ouverture d'une ou plusieurs des quatre vannes équipant ledit réservoir intermédiaire et de garder les autres fermées: une première étape d'admission de la vapeur et d'évacuation de l'eau vers l'accumulateur de pression: suivit par la deuxième étape d'échappement isochore de la vapeur vers la ligne de condensation; suivit par la troisième étape de remplissage d'eau et d'évacuation de la vapeur vers la ligne de condensation, l'exécution de chaque étape doit répondre aux conditions suivantes: l'exécution de la première étape est conditionnée par l'envoi d'un signal du détecteur de niveau d'eau haut (31) vers le système numérique de contrôle-commande (34), ce dernier vérifie si les deux autres étapes dans les deux autres réservoirs sont terminées, dans l'affirmative, il commande l'ouverture simultanée de la vanne d'entrée de la vapeur (23) et celle de la sortie de l'eau (27) vers l'accumulateur de pression, les deux autres vannes (25) et (29) doivent être fermées, cette situation est maintenue jusqu'à ce que le détecteur de niveau d'eau bas (32), envoie un signal au système numérique de contrôle-commande (34); à la réception du signal issu du détecteur de niveau d'eau bas (32) par le système numérique de contrôle-commande (34), ce dernier vérifie si les deux autres étapes dans les deux autres réservoirs sont terminées, dans l'affirmative, il commande l'exécution de la deuxième étape qui consiste en la fermeture simultanée des vannes ouvertes (23), et (27) au cours de la première étape, avant l'ouverture de la vanne de sortie (25) de la vapeur vers l'étage de liquéfaction; les trois autres vannes (23, 27 et 29) doivent être fermées. Cette étape correspond à la détente de la vapeur, et se termine lorsque la pression à l'intérieur du réservoir intermédiaire chute à un bar(l bar). En ce moment, le capteur de pression 33 envoie un signal au système numérique de contrôle-commande, marquant ainsi la fin de cette étape;
à la réception du signal issu du capteur de pression (33) par le système numérique de contrôle-commande (34), ce dernier vérifie si les deux autres étapes dans les deux autres réservoirs sont terminées, dans l'affirmative, il commande l'exécution de la troisième étape, qui consiste en l'ouverture de la vanne d'entrée d'eau (29) dans le réservoir intermédiaire tout en maintenant la vanne de sortie de la vapeur (25) ouverte, et les deux autres vannes (23 et 27) doivent être fermées. Cette étape correspond à l'évacuation de la vapeur détendue, et au remplissage du réservoir (15) en eau pour le préparer à un nouveau cycle. Cette étape se termine avec le remplissage du réservoir en eau, et elle est signalée au système de contrôle-commande (34) par le détecteur de niveau d'eau haut (31). Still according to Figure 3, the operating cycle of each intermediate tank consists of three stages, these three stages are distinguished from each other by the opening of one or more of the four valves fitted to said intermediate tank and keep the others closed: a first stage of admission of steam and evacuation of water to the pressure accumulator: followed by the second stage of isochoric exhaust of steam to the condensation line; followed by the third stage of water filling and steam evacuation to the condensation line, the execution of each stage must meet the following conditions: the execution of the first stage is conditioned by the sending of a signal from the high water level detector (31) to the digital control-command system (34), the latter checks whether the other two stages in the other two tanks have been completed, if so, it controls the simultaneous opening of the steam inlet valve (23) and that of the water outlet (27) to the pressure accumulator, the other two valves (25) and (29) must be closed, this situation is maintained until the low water level detector (32) sends a signal to the digital control-command system (34); on receipt of the signal from the low water level detector (32) by the digital control-command system (34), the latter checks whether the two other stages in the other two tanks have been completed, if so, it controls the execution of the second stage which consists of the simultaneous closing of the open valves (23), and (27) during the first stage, before the opening of the outlet valve (25) of the steam to the liquefaction stage; the other three valves (23, 27 and 29) must be closed. This step corresponds to the expansion of the steam, and ends when the pressure inside the intermediate tank drops to one bar (1 bar). At this moment, the pressure sensor 33 sends a signal to the digital control-command system, thus marking the end of this stage; on receipt of the signal from the pressure sensor (33) by the digital control-command system (34), the latter verifies whether the two other stages in the two other tanks have been completed, if so, it controls the execution of the third stage, which consists of opening the water inlet valve (29) in the intermediate tank while keeping the steam outlet valve (25) open, and the other two valves (23 and 27) must be closed. This step corresponds to the evacuation of the expanded steam, and to the filling of the reservoir (15) with water to prepare it for a new cycle. This step ends with the filling of the tank with water, and it is signaled to the control-command system (34) by the high water level detector (31).
La méthode de synchronisation du fonctionnement d'un groupe de réservoirs intermédiaires se base sur le cycle de fonctionnement d'un seul réservoir; et elle vise à assurer une continuité d'un courant d'eau vers la boucle hydraulique de telle sorte que, quand l'évacuation de l'eau, vers la boucle hydraulique se termine dans un réservoir, elle doit reprendre dans le réservoir suivant. Puisque le cycle de fonctionnement d'un réservoir se compose de trois étapes, alors un groupe de trois réservoirs intermédiaires répond parfaitement à cette exigence, la méthode de synchronisation consiste donc à faire exécuter les trois étapes en même temps, mais, chacune dans un réservoir différent. Ainsi, au cours d'un fonctionnement normal, quand la première étape est en train de s'exécuter dans le premier réservoir, la troisième étape doit être en cours d'exécution dans le deuxième, et la deuxième étape doit être en cours d'exécution dans le troisième réservoir. Les étapes doivent commencer simultanément, à condition que les étapes précédentes soient terminées dans les trois réservoirs, cette méthode nécessite un système numérique de contrôle commande. The method of synchronizing the operation of a group of intermediate tanks is based on the operation cycle of a single tank; and it aims to ensure continuity of a flow of water to the hydraulic loop so that when the evacuation of water to the hydraulic loop ends in a tank, it must resume in the next tank. Since the cycle of operation of a tank consists of three stages, then a group of three intermediate tanks perfectly meets this requirement, the synchronization method therefore consists in having the three stages run at the same time, but, each in a tank different. So, during normal operation, when the first stage is running in the first tank, the third stage should be running in the second, and the second stage should be running. execution in the third tank. The steps must start simultaneously, provided that the previous steps are completed in all three tanks, this method requires a digital control system.
Conformément au convertisseur proposé par cette invention, et en se référant aux dessins figure 1 et figure 2, la méthode de liquéfaction consiste à faire subir à la vapeur sous pression contenue dans le réservoir intermédiaire 15, une détente isenthalpique étagée. Cette méthode exige à laisser la vapeur s'échapper vers le dernier séparateur 41 basse pression dans lequel règne une pression égale à un bar (1 bar), à travers la ligne de condensation. In accordance with the converter proposed by this invention, and with reference to the drawings in FIG. 1 and FIG. 2, the liquefaction method consists in subjecting the pressurized steam contained in the intermediate tank 15 to a staged isenthalpic expansion. This method requires allowing the steam to escape to the last low pressure separator 41 in which there is a pressure equal to one bar (1 bar), through the condensation line.
Dès le démarrage de la détente isochore, au moment de l'ouverture de la vanne de la sortie de la vapeur (25) du réservoir intermédiaire (15), on peut considérer que le fluide quittant ledit réservoir est un mélange diphasique. Ce dernier arrive dans le premier séparateur (35) de la ligne de condensation, la phase liquide est retenue, et la phase vapeur continue son chemin vers le premier détendeur-régulateur (36) de pression réglé à sept bares. From the start of the isochoric expansion, at the time of the opening of the steam outlet valve (25) of the intermediate tank (15), it can be considered that the fluid leaving said tank is a two-phase mixture. The latter arrives in the first separator (35) of the condensation line, the liquid phase is retained, and the vapor phase continues its way to the first pressure reducer-regulator (36) set at seven bars.
Cette première étape de la détente isenthalpique étagée, donne à la sortie dudit détendeur pendant un temps très court une vapeur surchauffée représentée par le petit segment horizontal délimité par les points (6-6')(figure 1), puis, après un certain temps on obtient un mélange diphasique majoritairement à l'état de vapeur d'une température de 14°C. Ce mélange diphasique arrive dans le deuxième séparateur (37), la phase liquide est retenue et la phase vapeur continue son chemin vers le deuxième détendeur-régulateur (38) réglé à deux bars. This first step of the staged isenthalpic expansion gives the outlet of the said expander for a very short time a superheated vapor represented by the small horizontal segment delimited by the points (6-6')(figure 1), then, after a certain time a two-phase mixture is obtained mainly in the vapor state at a temperature of 14°C. This diphasic mixture arrives in the second separator (37), the liquid phase is retained and the vapor phase continues its way to the second expansion valve (38) set at two bars.
Cette deuxième étape de la détente isenthalpique étagée, donne à la sortie dudit régulateur un mélange diphasique d'un titrage moyen, ayant une température égale à - 26°C. Ce mélange diphasique arrive dans le troisième séparateur (39), la phase liquide est
retenue et la phase vapeur continue son chemin vers le troisième détendeur-régulateurThis second step of the stepped isenthalpic expansion gives, at the outlet of the said regulator, a two-phase mixture with an average titration, having a temperature equal to -26°C. This diphasic mixture arrives in the third separator (39), the liquid phase is retained and the vapor phase continues on its way to the third expansion valve
(40) réglé à un bar. (40) set at one bar.
Cette troisième et dernière étape de la détente isenthalpique étagée, donne à la sortie dudit régulateur un mélange diphasique majoritairement à l'état liquide ayant une température égale à -42°C. Ce mélange diphasique arrive dans le quatrième séparateurThis third and final stage of the stepped isenthalpic expansion gives, at the outlet of said regulator, a two-phase mixture, mainly in the liquid state, having a temperature equal to -42°C. This diphasic mixture arrives in the fourth separator
(41), la phase liquide est retenue et la. phase vapeur est aspirée par un compresseur (43) est réintroduite dans la ligne de condensation pour recyclage. Tous les condensats retenus dans chacun des séparateurs seront soutirés par des pompes à condensat (42), puis passés dans des échangeurs thermiques (43) pour exploiter leur froid, et pour réchauffer le condensat avant sa réintroduction dans le générateur de vapeur. (41), the liquid phase is retained and the. vapor phase is aspirated by a compressor (43) is reintroduced into the condensation line for recycling. All the condensates retained in each of the separators will be withdrawn by condensate pumps (42), then passed through heat exchangers (43) to exploit their coldness, and to heat the condensate before it is reintroduced into the steam generator.
Dans la ligne de condensation, et conformément à la figure 1 et 2, une interprétation graphique permet de mieux expliquer les conséquences de l'échappement du mélange diphasique du réservoir intermédiaire sur la détente isenthalpique étagée représentée par l'escalier dessiné en lignes continues formées par les segments (2-6, 6-9, 9-7, 7-10, 10-8 et 8-3). In the line of condensation, and in accordance with Figures 1 and 2, a graphic interpretation makes it possible to better explain the consequences of the escape of the two-phase mixture from the intermediate tank on the staged isenthalpic expansion represented by the staircase drawn in continuous lines formed by the segments (2-6, 6-9, 9-7, 7-10, 10-8 and 8-3).
Signalons que l'ouverture du détendeur-régulateur est fonction de l'écart de pression entre son entrée et sa sortie, et signalons aussi que les séparateurs de phases retiennent la phase liquide et laissent passer uniquement la phase vapeur. Au début de la détente isenthalpique, la vapeur arrive sur l' entrée de chaque détendeur-régulateur (36, 38, 40) avec un écart de pression maximal, voir les segments verticaux (2-6, 9-7 et 10-8); puis, avec le temps, le premier détendeur-régulateur (36) va commencer à s'ouvrir en conséquence de la chute progressive de pression sur son entrée; comme si le segment de l'isenthalpe (2-6) compris entre le tronçon de la courbe de l'isochore 50 litres (56), et l'isobare sept bars, se déplace horizontalement sur le segment (6-9), et devient de plus en plus petit, jusqu'à ce que les points (2 et 6) se confondent avec le point (9) quand la pression chute à sept, bars; en ce moment, le premier détendeur-régulateur (36) se trouve complètement ouvert. Note that the opening of the expansion valve is a function of the pressure difference between its inlet and its outlet, and also note that the phase separators retain the liquid phase and allow only the vapor phase to pass. At the start of the isenthalpic expansion, the steam arrives at the inlet of each expansion valve (36, 38, 40) with a maximum pressure difference, see the vertical segments (2-6, 9-7 and 10-8) ; then, over time, the first expander-regulator (36) will begin to open as a result of the gradual drop in pressure at its inlet; as if the segment of the isenthalp (2-6) included between the section of the curve of the isochore 50 liters (56), and the isobar seven bars, moves horizontally on the segment (6-9), and becomes smaller and smaller, until points (2 and 6) merge with point (9) when the pressure drops to seven bars; at this time, the first expansion valve (36) is completely open.
Maintenant, avec la pression qui continue de chuter, c'est le tour du deuxième détendeur-régulateur (38) qui est affecté par la chute de pression sur son entrée. Au départ l'écart de pression (9-7) est maximal, puis avec le temps, cet écart devient de plus ne plus petit, comme si le segment de l'isenthalpe (9-7) compris entre le tronçon de la courbe de l'isochore cinquante litres (56), et l'isobare deux bars se déplace horizontalement sur le segment (7-10), et devient de plus en plus petit, jusqu'à ce que les points (9) et (7) se confondent au point (10) quand la pression chute à deux bars; en ce moment, le deuxième détendeur-régulateur se trouve complètement ouvert. la même chose arrive au troisième détendeur-régulateur (40), dès que le deuxième détendeur-régulateur (38) se trouve complètement ouvert. La pression sur son entrée qui était stable pendant toute la détente lorsque les deux détendeurs-régulateurs (36, 38) étalent opérationnels, maintenant, la pression va commencer à chuter sur son entrée, ce qui va se répercuter sur l'écart de pression (10-8) entre son entrée et sa sortie; comme si le segment de l'isenthalpe (10-8) compris entre le tronçon de la courbe d'isochore cinquante litres, et. l'isobare un bar, se déplace horizontalement sur le segment (8-3), et devient de plus en plus petit, jusqu'à ce que les points (10) et (8) se confondent avec le point (3) quand la pression chute à un bar; en ce moment, le troisième détendeur-régulateur (40) se trouve complètement ouvert.
Il doit être entendu que la description détaillée qui précède, est un exemple dont le but est de faciliter la compréhension du fonctionnement dudit convertisseur d'énergie, et n'a aucun caractère limitatif, car même si le principe de fonctionnement reste le même, les options de réalisation sont très variées.
Now, with the pressure continuing to drop, it is the turn of the second regulator-regulator (38) which is affected by the pressure drop across its inlet. At the start, the pressure difference (9-7) is maximum, then over time, this difference becomes smaller and smaller, as if the segment of the isenthalp (9-7) between the section of the curve of the fifty liter isochorus (56), and the two bar isobar moves horizontally on the segment (7-10), and becomes smaller and smaller, until the points (9) and (7) meet merge at point (10) when the pressure drops to two bars; at this moment, the second expansion valve is completely open. the same thing happens to the third expander-regulator (40), as soon as the second expander-regulator (38) is completely open. The pressure on its inlet, which was stable throughout the expansion when the two expander-regulators (36, 38) become operational, now the pressure will begin to drop on its inlet, which will affect the pressure difference ( 10-8) between its input and its output; as if the segment of the isenthalp (10-8) comprised between the stretch of the isochore curve fifty liters, and. the isobar a bar, moves horizontally on the segment (8-3), and becomes smaller and smaller, until the points (10) and (8) merge with the point (3) when the pressure drops to one bar; at this moment, the third expansion valve-regulator (40) is completely open. It should be understood that the foregoing detailed description is an example whose purpose is to facilitate understanding of the operation of said energy converter, and has no limiting character, because even if the operating principle remains the same, the execution options are very varied.
Claims
Revendications. Claims.
1- Convertisseur d'énergie calorifique très basse température, et en particulier l'énergie calorifique d'origine solaire stockée dans l'eau des océans et dans l'atmosphère en énergie électrique, caractérisé par deux circuits fermés qui échangent du travail entre eux, ces deux circuits sont: a -) un circuit fermé dans lequel évolue un fluide de travail approprié en circuit fermé composé des étages suivants: 1- Converter of very low temperature calorific energy, and in particular the calorific energy of solar origin stored in the water of the oceans and in the atmosphere into electrical energy, characterized by two closed circuits which exchange work between them, these two circuits are: a -) a closed circuit in which evolves a suitable working fluid in a closed circuit composed of the following stages:
- un étage des générateurs de vapeur (11) comprenant au moins un générateur de vapeur(llü); - a stage of steam generators (11) comprising at least one steam generator (llü);
- un étage de conversion d'énergie (12) comprenant au moins un groupe de réservoirs intermédiaires (15); - an energy conversion stage (12) comprising at least one group of intermediate reservoirs (15);
- un étage de liquéfaction de la vapeur (13) comprenant au moins un condenseur comprenant au moins une ligne de condensation, qui est un circuit adiabatique dont lequel la vapeur subit une détente isenthalpique étagée; et - a steam liquefaction stage (13) comprising at least one condenser comprising at least one condensation line, which is an adiabatic circuit in which the steam undergoes staged isenthalpic expansion; and
- un étage de pompage (14) et de compression composé de l'ensemble des pompes à condensat(42), et du compresseur (43) de la vapeur non condensée. b -) une boucle hydraulique comprenant: - A pumping stage (14) and compression composed of all the condensate pumps (42), and the compressor (43) of the non-condensed steam. b -) a hydraulic loop comprising:
- un groupe de réservoirs intermédiaires (15) appartenant aussi au circuit du cycle thermodynamique spécial; - a group of intermediate tanks (15) also belonging to the circuit of the special thermodynamic cycle;
- un accumulateur de pression (16); - a pressure accumulator (16);
- une turbine hydraulique (17) qui entraîne un générateur électrique (20); - a hydraulic turbine (17) which drives an electric generator (20);
- un bac (17) qui reçoit l'eau à sa sortie de la turbine; et - a tank (17) which receives the water as it leaves the turbine; and
- une pompe hydraulique (18) qui aspire l'eau dudit bac et la refoule vers ledit groupe de réservoirs intermédiaires (15) pour chasser la vapeur détendue. - a hydraulic pump (18) which draws water from said tank and delivers it to said group of intermediate tanks (15) to drive out the expanded steam.
2 - Le convertisseur d'énergie calorifique très basse température selon la revendication 1, caractérisé en ce que: ledit réservoir intermédiaire (15) possède sur sa partie supérieure une entrée et une sortie de la vapeur, et sur sa partie inférieure, il possède une entrée et une sortie de l'eau qui circule dans le circuit de ladite boucle hydraulique. 2 - The very low temperature calorific energy converter according to claim 1, characterized in that: said intermediate tank (15) has on its upper part an inlet and a steam outlet, and on its lower part, it has a inlet and an outlet for the water which circulates in the circuit of said hydraulic loop.
3 - Le convertisseur d'énergie calorifique très basse température selon la revendication 1, caractérisé en ce que: chaque réservoir intermédiaire (15) est équipé de détecteurs de niveau (31, 32), de détecteurs de pression (33) et de tous les accessoires nécessaires pour le raccordement au système de contrôle-commande (34) qui assure la synchronisation des étapes de fonctionnement de chaque groupe de réservoirs intermédiaires. 3 - The very low temperature calorific energy converter according to claim 1, characterized in that: each intermediate tank (15) is equipped with level detectors (31, 32), pressure detectors (33) and all the accessories necessary for connection to the control-command system (34) which ensures the synchronization of the operating steps of each group of intermediate tanks.
4 - Le convertisseur d'énergie calorifique très basse température selon la revendication 1, caractérisé en ce que: ledit accumulateur de pression (16) possède sur sa partie supérieur une entrée (162) et une sortie (163) de vapeur, et sur sa partie basse il possède une entrée d'eau (160) venant du réservoir intermédiaire (15) et une sortie d'eau (161) pour alimenter la turbine hydraulique (19). 4 - The very low temperature calorific energy converter according to claim 1, characterized in that: said pressure accumulator (16) has on its upper part an inlet (162) and an outlet (163) of steam, and on its lower part it has a water inlet (160) coming from the intermediate reservoir (15) and a water outlet (161) to supply the hydraulic turbine (19).
5 - Le convertisseur d'énergie calorifique très basse température selon la revendication 1 et 4, caractérisé en ce que: ledit accumulateur de pression (16) est équipé
sur sa partie haute d'un système de régulation de pression composé d'un détendeur- régulateur de pression (164) installé sur l'entrée de vapeur (162), et d'une soupape de décharge (165) installée sur la sortie de la vapeur (163). 5 - The very low temperature calorific energy converter according to claim 1 and 4, characterized in that: said pressure accumulator (16) is equipped on its upper part of a pressure regulation system composed of a pressure reducer-regulator (164) installed on the steam inlet (162), and a relief valve (165) installed on the steam outlet steam (163).
6 - Le convertisseur d'énergie calorifique très basse température selon la revendication 1, caractérisé en ce que: à l'intérieur dudit accumulateur de pression (16), la partie basse est occupée par un volume d'eau variable (22), surmonté d'une chambre à vapeur (21) à volume variable sous une pression constante fixée d'avance. 6 - The very low temperature calorific energy converter according to claim 1, characterized in that: inside said pressure accumulator (16), the lower part is occupied by a variable volume of water (22), surmounted a vapor chamber (21) with variable volume under a constant pressure fixed in advance.
7 - Le convertisseur d'énergie calorifique très basse température selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite ligne de condensation comprend un séparateur de phase de tête (35) et un séparateur final (41), et entre les deux, il y est installé un nombre suffisant de détendeurs-régulateurs (36, 38, 40) alternés par des séparateurs de phases intermédiaires (37, 39). 7 - The very low temperature heat energy converter according to claim 1, characterized in that said condensation line comprises a head phase separator (35) and a final separator (41), and between the two there is installed a sufficient number of expanders-regulators (36, 38, 40) alternated by intermediate phase separators (37, 39).
8 - Médrode de conversion d'énergie calorifique très basse température, et en particulier l'énergie calorifique d'origine solaire stockée dans l'eau des océans et dans l'atmosphère en énergie électrique, ladite méthode de conversion est caractérisée par les étapes suivantes: a - ) une première étape qui se déroule dans l'étage des générateurs de vapeur (11) au cours de laquelle ladite énergie calorifique est transformée en énergie de pression, grâce à un cycle thermodynamique organique spécial utilisant le propane ou autre fluide similaire comme fluide de travail, adapté à l'exploitation des sources d'énergie calorifique très basse température, et en particulier ladite énergie calorifique d'origine solaire; b - ) une seconde étape qui se déroule dans l'étage de conversion d'énergie (12) au cours de laquelle l'énergie de pression de la vapeur est communiquée à ladite boucle hydraulique, c'est grâce à l'action de la vapeur sous pression issue de l'étage des générateurs de vapeur sur le volume d'eau contenue dans ledit réservoir intermédiaire, que celle-ci est expulsée vers l'accumulateur de pression (16) de ladite boucle hydraulique, où règne une pression inférieur à la pression de la vapeur dudit réservoir intermédiaire (15); c. - ) une troisième étape qui aboutit à la production du courant électrique, qui se déroule au sein de ladite boucle hydraulique au cours de laquelle l'énergie communiquée à ladite boucle et stockée dans ledit accumulateur de pression (16) sous forme d'énergie potentielle, et elle est restituée sous forme d'un débit d'eau constant pour alimenter une turbine hydraulique (19) couplée à un générateur électrique (20): et d - ) une quatrième étape de liquéfaction de la vapeur qui se déroule dans l'étage de liquéfaction de la vapeur, au cours de laquelle la vapeur subit une détente isenthalpique étagée dans ladite ligne de condensation, qui, selon le principe de Joule-Thomson aboutit à une baisse de température et à une liquéfaction partielle de la vapeur. 8 - Very low temperature calorific energy conversion method, and in particular the calorific energy of solar origin stored in the water of the oceans and in the atmosphere into electrical energy, said method of conversion is characterized by the following steps : a - ) a first stage which takes place in the stage of the steam generators (11) during which said calorific energy is transformed into pressure energy, thanks to a special organic thermodynamic cycle using propane or other similar fluid as working fluid, suitable for the exploitation of very low temperature heat energy sources, and in particular said heat energy of solar origin; b - ) a second stage which takes place in the energy conversion stage (12) during which the steam pressure energy is communicated to said hydraulic loop, it is thanks to the action of the pressurized steam from the stage of the steam generators on the volume of water contained in the said intermediate tank, that the latter is expelled towards the pressure accumulator (16) of the said hydraulic loop, where there is a pressure lower than the vapor pressure of said intermediate tank (15); vs. - ) a third step which results in the production of electric current, which takes place within said hydraulic loop during which the energy communicated to said loop and stored in said pressure accumulator (16) in the form of potential energy , and it is returned in the form of a constant flow of water to supply a hydraulic turbine (19) coupled to an electric generator (20): and d - ) a fourth stage of liquefaction of the steam which takes place in the steam liquefaction stage, during which the steam undergoes staged isenthalpic expansion in said condensation line, which, according to the Joule-Thomson principle, results in a drop in temperature and partial liquefaction of the steam.
9 - La méthode de conversion d'énergie calorifique très basse température selon la revendication 8, caractérisée par un cycle thermodynamique spécial au cours duquel le fluide de travail subit les transformations suivantes:
a - ) transformation isobare (1-2) au cours de laquelle, le fluide de travail est porté à ébullition, sous l'action du flux de chaleur qui traverse la paroi du générateur de vapeur et se transforme en vapeur sous pression, ainsi l'énergie calorifique est transformé en énergie de pression; b - ) transformation isenthalpique étagée (2-6, 9-7, 10-8) qui se déroule dans l'étage de liquéfaction de la vapeur (13) au cours de laquelle la vapeur est partiellement liquéfiée; c - ) transformation isobare secondaire (3-4) au cours de laquelle la vapeur détendue qui occupe encore le réservoir intermédiaire (15) est forcée de quitter ce dernier, grâce à une pompe hydraulique (18) qui aspire l'eau recueillie dans ledit bac (17) à la sortie de la turbine hydraulique (19), et la refoule à l'intérieur dudit réservoir intermédiaire (15); et d - ) transformation isochore (4-5) au cours de laquelle le condensat est soutiré des séparateurs de phases (35, 37, 39, 41) par des pompes à condensat (42), et réintroduit dans ledit générateur de vapeur (110). 9 - The very low temperature calorific energy conversion method according to claim 8, characterized by a special thermodynamic cycle during which the working fluid undergoes the following transformations: a - ) isobaric transformation (1-2) during which the working fluid is brought to a boil, under the action of the heat flux which crosses the wall of the steam generator and is transformed into steam under pressure, thus the heat energy is transformed into pressure energy; b - ) staged isenthalpic transformation (2-6, 9-7, 10-8) which takes place in the steam liquefaction stage (13) during which the steam is partially liquefied; c - ) secondary isobaric transformation (3-4) during which the expanded steam which still occupies the intermediate tank (15) is forced to leave the latter, thanks to a hydraulic pump (18) which sucks up the water collected in said tray (17) at the outlet of the hydraulic turbine (19), and discharges it inside said intermediate reservoir (15); and d - ) isochoric transformation (4-5) during which the condensate is withdrawn from the phase separators (35, 37, 39, 41) by condensate pumps (42), and reintroduced into the said steam generator (110 ).
10 - La méthode de conversion d'énergie calorifique très basse température selon la revendication 8, caractérisée en ce que la boucle hydraulique qui est un circuit d'eau fermé et confiné fonctionne de la manière suivante: dans ledit réservoir intermédiaire (15) supposé au préalable rempli d'eau, l'action de la vapeur sous pression chasse l'eau qu'y est contenue vers ledit accumulateur de pression (16) où règne une pression inférieure à celle dudit réservoir intermédiaire où elle est stockée sous forme d'énergie potentielle, et sera restituée sous forme d'un débit constant pour alimenter la turbine hydraulique (19) couplée à un générateur électrique (20) qui produit le courant électrique, puis, à la sortie de la turbine (19), l'eau est récupérée dans un bac (17), et enfin, une pompe hydraulique (18) aspire cette eau et la refoule vers ledit réservoir intermédiaire (15). 10 - The very low temperature calorific energy conversion method according to claim 8, characterized in that the hydraulic loop which is a closed and confined water circuit operates as follows: in said intermediate tank (15) supposed to previously filled with water, the action of pressurized steam expels the water contained therein towards said pressure accumulator (16) where there is a pressure lower than that of said intermediate tank where it is stored in the form of energy potential, and will be returned in the form of a constant flow to supply the hydraulic turbine (19) coupled to an electric generator (20) which produces the electric current, then, at the outlet of the turbine (19), the water is recovered in a tank (17), and finally, a hydraulic pump (18) sucks up this water and delivers it to said intermediate tank (15).
11 - La méthode de conversion d'énergie calorifique très basse température selon la revendication 8, caractérisée en ce que le fonctionnement de l'accumulateur de pression (16) nécessite certaines précautions: 11 - The very low temperature calorific energy conversion method according to claim 8, characterized in that the operation of the pressure accumulator (16) requires certain precautions:
- pour que l'écoulement de l'eau dudit réservoir intermédiaire (15) vers ledit accumulateur de pression (16) ait lieu, la pression de ladite chambre à vapeur (21) à l'intérieur dudit accumulateur de pression doit nécessairement, être inférieur à la pression de vapeur saturante qui règne dans ledit générateur de vapeur (110) et dans ledit réservoir intermédiaire (15) qui refoule l'eau vers lui; - for the flow of water from said intermediate tank (15) to said pressure accumulator (16) to take place, the pressure of said vapor chamber (21) inside said pressure accumulator must necessarily be lower to the saturated steam pressure which prevails in said steam generator (110) and in said intermediate tank (15) which discharges the water towards it;
- pour compenser les irrégularités du débit d'eau entrant causées par l'ouverture et la fermeture des vannes dudit groupe de réservoirs intermédiaires (15), et pour garder un régime stable à la sortie dudit accumulateur de pression (16), il faut maintenir la pression constante dans la chambre à vapeur (21) par un système de régulation automatique (34); - ladite chambre à vapeur (21) est alimentée en vapeur à partir d'un générateur, pas nécessairement le même générateur de vapeur (110) qui alimente ledit groupe de réservoirs intermédiaires (15), à travers un régulateur de pression installé à l'entrée de la vapeur (164), et l'échappement doit se faire vers ladite ligne de condensation à travers la soupape de décharge (165) installée sur la conduite de sortie de la vapeur (163); et - le système de régulation (34) réagit comme suit: quand la pression tend vers la baisse le régulateur (164) laisse passer la vapeur vers l'intérieur dudit accumulateur de pression
pour compenser cete baisse et quand la pression tend à augmenter la soupape de décharge (165) laisse la vapeur s'échapper vers ladite ligne de condensation. - to compensate for irregularities in the incoming water flow caused by the opening and closing of the valves of said group of intermediate tanks (15), and to keep a stable regime at the outlet of said pressure accumulator (16), it is necessary to maintain the constant pressure in the vapor chamber (21) by an automatic regulation system (34); - said steam chamber (21) is supplied with steam from a generator, not necessarily the same steam generator (110) which supplies said group of intermediate tanks (15), through a pressure regulator installed at the steam inlet (164), and the exhaust must be to said condensation line through the relief valve (165) installed on the steam outlet pipe (163); and - the regulation system (34) reacts as follows: when the pressure tends to drop, the regulator (164) lets the steam pass into said pressure accumulator to compensate for this drop and when the pressure tends to increase the relief valve (165) lets the steam escape to said condensation line.
12 - La méthode de conversion d'énergie calorifique très basse température selon la revendication 8, caractérisée en ce que le cycle de fonctionnement de chaque réservoir intermédiaire (15) se compose de trois étapes, ces trois étapes se distinguent l'une de l'autre par l'ouverture d'une ou plusieurs des quatre vannes (23, 25, 27, 29) équipant ledit réservoir intermédiaire (15), et de garder les autres vannes fermées: la première étape correspond à l'admission de la vapeur et à l'évacuation de l'eau vers ledit accumulateur de pression; la deuxième étape correspond à l'échappement isochore de la vapeur vers ladite ligne de condensation; et la troisième étape correspond au remplissage dudit réservoir intermédiaire (15) par l'eau et à l'évacuation de la vapeur vers la ligne de condensation, l'exécution de chaque étape doit répondre aux conditions suivantes: - l'exécution de la première étape est conditionnée par l'envoi d'un signal du détecteur de niveau d'eau (31) haut vers ledit système numérique de contrôle- commande (34), ce dernier vérifie si les deux autres étapes dans les deux autres réservoirs (15) sont terminées, dans l'affirmative, il commande l'ouverture simultanée de la vanne d'entrée de la vapeur (23) dans ledit réservoir intermédiaire, et celle de la sortie (27) de l'eau vers l'accumulateur de pression, les deux autres vannes (25, 29) doivent être fermées, cette situation est maintenue jusqu'à ce que le détecteur de niveau d'eau bas (32), envoie un signal au système numérique de contrôle-commande (34); 12 - The very low temperature calorific energy conversion method according to claim 8, characterized in that the operating cycle of each intermediate tank (15) consists of three stages, these three stages are distinguished from one of the another by opening one or more of the four valves (23, 25, 27, 29) fitted to said intermediate tank (15), and to keep the other valves closed: the first stage corresponds to the admission of steam and draining water to said pressure accumulator; the second stage corresponds to the isochoric escape of the vapor towards the said condensation line; and the third stage corresponds to the filling of said intermediate tank (15) with water and the evacuation of the steam towards the condensation line, the execution of each stage must meet the following conditions: - the execution of the first stage is conditioned by sending a signal from the high water level detector (31) to said digital control-command system (34), the latter checks whether the two other stages in the other two tanks (15) are completed, if so, it controls the simultaneous opening of the steam inlet valve (23) in said intermediate tank, and that of the water outlet (27) to the pressure accumulator, the other two valves (25, 29) must be closed, this situation is maintained until the low water level detector (32) sends a signal to the digital control-command system (34);
- à la réception du signal issu du détecteur de niveau d'eau bas (32) par le système numérique de contrôle-commande (34), ce dernier vérifie si les deux autres étapes dans les deux autres réservoirs sont terminées, dans l'affirmative, il commande l'exécution de la deuxième étape qui consiste en la fermeture simultanée des vannes ouvertes (23, 27) au cours de la première étape, avant l'ouverture de la vanne de sortie de la vapeur (25) vers l'étage de liquéfaction, les trois autres vannes (23, 27, 29) doivent être fermées, cette étape correspond à la détente de la vapeur dans ledit réservoir intermédiaire (15) causée par la sortie de la vapeur, et se termine lorsque la pression à l'intérieur dudit réservoir intermédiaire (15) chute à 1 bar, en ce moment, le capteur de pression (33) envoie un signal au système numérique de contrôle-commande (34), marquant ainsi la fin de cette étape; et - upon receipt of the signal from the low water level detector (32) by the digital control-command system (34), the latter checks whether the two other stages in the other two tanks have been completed, if so , it controls the execution of the second stage which consists of the simultaneous closing of the valves opened (23, 27) during the first stage, before the opening of the steam outlet valve (25) to the floor liquefaction, the other three valves (23, 27, 29) must be closed, this step corresponds to the expansion of the steam in the said intermediate tank (15) caused by the exit of the steam, and ends when the pressure at the the interior of said intermediate tank (15) drops to 1 bar, at which time the pressure sensor (33) sends a signal to the digital control-command system (34), thus marking the end of this stage; and
- à la réception du signal issu du capteur de pression (33) par le système numérique de contrôle-commande (34), ce dernier vérifie si les deux autres étapes dans les deux autres réservoirs sont terminées, dans l'affirmative, il commande l'exécution de la troisième étape, qui consiste en l'ouverture de la vanne d'entrée d'eau (29) dans ledit réservoir intermédiaire ()15 tout en maintenant la vanne de sortie de la vapeur (25) ouverte, et les deux autres vannes (23, 27) doivent être fermées, cette étape correspond à l'évacuation de la vapeur détendue, et au remplissage dudit réservoir (15) en eau pour le préparer à un nouveau cycle, cette étape se termine avec le remplissage du réservoir (15) en eau, et il est signalé au système de contrôle-commande (34) par le détecteur de niveau d'eau haut (31) . - upon receipt of the signal from the pressure sensor (33) by the digital control-command system (34), the latter checks whether the other two stages in the other two tanks have been completed, if so, it controls the execution of the third step, which consists of opening the water inlet valve (29) in said intermediate tank ()15 while keeping the steam outlet valve (25) open, and the two other valves (23, 27) must be closed, this step corresponds to the evacuation of the expanded steam, and to the filling of the said tank (15) with water to prepare it for a new cycle, this step ends with the filling of the tank (15) in water, and it is signaled to the control-command system (34) by the high water level detector (31).
13 - La méthode de conversion d'énergie calorifique très basse température selon la revendication 8, caractérisée en ce que ladite ligne de condensation est un circuit adiabatique dans lequel la vapeur du fluide travail subit une détente isenthalpique étagée,
ce qui se traduit selon le principe de Joule-Thomson par un refroidissement et une condensation partielle de la vapeur. 13 - The very low temperature calorific energy conversion method according to claim 8, characterized in that said condensation line is an adiabatic circuit in which the vapor of the working fluid undergoes a stepped isenthalpic expansion, which results according to the principle of Joule-Thomson by a cooling and a partial condensation of the vapor.
14 - Méthode de synchronisation du fonctionnement dudit groupe de réservoirs intermédiaires selon toutes les revendications antérieures se base sur ledit cycle de fonctionnement d'un seul réservoir intermédiaire (15), et elle vise à assurer une continuité d'un courant d'eau vers ladite boucle hydraulique de telle sorte que, quand l'évacuation de l'eau vers ladite boucle hydraulique se termine dans un réservoir (15), elle doit reprendre dans le réservoir suivant, puisque le cycle de fonctionnement d'un réservoir se compose de trois étapes, alors un groupe de trois réservoirs intermédiaires (15) répond parfaitement à cette exigence, la méthode de synchronisation consiste donc à faire exécuter les trois étapes en même temps, mais, chacune dans un réservoir différent (15), ainsi, au cours d'un fonctionnement normal, quand la première étape est en train de s'exécuter dans le premier réservoir, la troisième étape doit être en cours d'exécution dans le deuxième, et la deuxième étape doit être en cours d'exécution dans le troisième réservoir, les étapes doivent commencer simultanément, à condition que les trois étapes soient terminées dans les trois réservoirs, cette méthode nécessite un système numérique de contrôle-commande (34).
14 - Method of synchronizing the operation of said group of intermediate tanks according to all the preceding claims is based on said operating cycle of a single intermediate tank (15), and it aims to ensure continuity of a water current towards said hydraulic loop in such a way that when the evacuation of water to said hydraulic loop ends in one tank (15), it must resume in the next tank, since the operating cycle of a tank consists of three stages , then a group of three intermediate reservoirs (15) meets this requirement perfectly, the synchronization method therefore consists of having the three steps executed at the same time, but each in a different reservoir (15), thus, during normal operation, when the first stage is running in the first tank, the third stage should be running in the second, and the second stage should be running in the third tank, the stages must start simultaneously, provided that the three stages are completed in the three tanks, this method requires a digital control-command system (34).
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