EP3814611B1 - Procédé et dispositif de conversion d'énergie thermique - Google Patents

Procédé et dispositif de conversion d'énergie thermique Download PDF

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EP3814611B1
EP3814611B1 EP19744766.7A EP19744766A EP3814611B1 EP 3814611 B1 EP3814611 B1 EP 3814611B1 EP 19744766 A EP19744766 A EP 19744766A EP 3814611 B1 EP3814611 B1 EP 3814611B1
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EP
European Patent Office
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fluid
flow
energy
ima
circulation loop
Prior art date
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EP19744766.7A
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German (de)
English (en)
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EP3814611C0 (fr
EP3814611A1 (fr
Inventor
Jean-Edmond Chaix
Patrick Bouchard
Guillaume LE GUEN
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HEVATECH
Original Assignee
Hevatech
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Publication date
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Publication of EP3814611B1 publication Critical patent/EP3814611B1/fr
Publication of EP3814611C0 publication Critical patent/EP3814611C0/fr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01K3/186—Plants characterised by the use of steam or heat accumulators, or intermediate steam heaters, therein having heaters using electric heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22—STEAM GENERATION
    • F22B—METHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00—Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/006—Methods of steam generation characterised by form of heating method using solar heat

Definitions

  • the field of the invention is that of technologies for recovering heat, in particular waste industrial heat.
  • the invention relates in particular to a process for converting thermal energy into mechanical energy, then, preferably, into electrical energy and/or into cooling energy.
  • the invention also relates to a device for implementing this method.
  • Fatal heat is the residual heat resulting from a process and not used by it (smoke, drying mist, exhaust from a heat engine, etc.)
  • the sources of fatal heat are very diversified. These may be energy production sites (nuclear power plants), industrial production sites, tertiary buildings which emit more heat as they consume a lot of it, such as hospitals, transport networks in closed place, or disposal sites such as thermal waste treatment units.
  • Fatal heat represents around 50% of global energy consumption, all areas combined.
  • the heat transfer fluid is heated by means of capturing solar energy.
  • the heat transfer fluid is for example oil while the first fluid is a thermodynamic flow, for example water or a water/glycerol mixture.
  • This dual-phase mixture is a flow of heat transfer fluid in the form of oil droplets and thermodynamic fluid in the form of water vapour, at high temperature.
  • the kinetic energy of this flow is transformed into mechanical energy by means of a turbine of the Pelton turbine type, driving an electric alternator.
  • the oil/water mixture is recovered at the turbine outlet and the 2 fluids are separated, which are then reused in this energy conversion of heat into mechanical energy and then into electricity.
  • thermokinetic conversion technique which is economical, reliable, efficient, eco-compatible and with improved yield.
  • This system has a low investment and maintenance cost.
  • the method comprises, for the implementation of step VII, the choice of a ratio Rd of the mass flow rate of the fluid FT to the total mass flow rate of the fluid FC and of the fluid FT, is between 1 and 20%, preferably between 3 and 18%, and more preferably still between 5 and 15%.
  • the thermal energy to be converted is contained in a fatal fluid FF, part of the calories of which is first transferred to FC (stage II), and of which another part of the calories is then transferred to FT for its heating and, preferably, for its vaporization (stages V and VI).
  • the temperature of FF at the outlet of the FC and FT heating exchangers can be advantageously adapted, before FF is evacuated outside. Indeed, when FF is loaded with solid particles, FF is evacuated outside, preferably, after having been subjected to a treatment of extraction of these solid particles by filtration, which imposes a maximum temperature of FF, in order to do not degrade the filters (typically ⁇ 200°C).
  • the final temperature of the FF is adapted to the filtration constraints, if necessary, before its evacuation outside and/or to the constraints corrosion, because it is possible to optimally size the heat exchangers used in this process, and in particular the temperature of FF at the outlet of the FF/FT exchanger for heating FT.
  • the temperature of the fluid FF at the end of stages II, V or even VI is between 100 and 200°C and even more preferably between 180°C and 200°C.
  • step VII the injection of the flow f t of the thermodynamic fluid FT into an injection chamber of the IMA takes place at a speed of between 40 and 300 m/s, preferably between 50 and 150 m /s and, even more preferably, between 60 and 100 m/s.
  • the flow f t is preferably accelerated and expanded in at least one chamber of suitable profile, preferably in a nozzle.
  • step VIII the flow f t is subjected, during at least one step (VIII°) to pre-acceleration by expansion, preferably quasi-isothermal or polytropic, of the flow f', in at least a chamber of suitable profile, preferably in a nozzle; this step (VIII°) being advantageously implemented in the same chamber of suitable profile as that of step (VIII).
  • FT is an aqueous liquid, preferably chosen from the group comprising—ideally consisting of—water, glycerol and their mixtures.
  • FC is chosen from vegetable or mineral oils, preferably from oils which are immiscible with water and/or which have a varnish appearance temperature greater than or equal to 200° C., preferably 300° C. C, and, more preferably still from vegetable oils; FC being ideally chosen from the group comprising -ideally composed of-: castor oil and/or olive oil.
  • the fatal fluid FF initially has a temperature greater than or equal to 200° C. and preferably greater than or equal to 300° C., and/or is chosen from gaseous fluids and, more preferably still, in the group comprising - ideally made up of -: hot air, water vapours, engine exhaust gases, smoke, in particular industrial smoke, heat from flames and heat from dryers, or among the liquid fluids ( e . g . as is the case in concentrated solar installations).
  • the method according to the invention is distinguished in that it implements at least one of the following characteristics: C1.
  • the operating pressure Pf c0 (in bars) of the flow f c0 before the spraying of stage III and after the compression of the flow f c0 of FC in stage XII, is such that - in increasing order of preference -: 3 ⁇ pf vs 0 ⁇ 30 ; 5 ⁇ pf vs 0 ⁇ 25 ; 10 ⁇ pf vs 0 ⁇ 15 C2.
  • the operating pressure Pf t (in bars) of the flow f t before the injection during stage VII and after the compression of the flow f t00 of FC in stage XIV is such that - in ascending order of preference -: 3 ⁇ pf you ⁇ 30 ; 5 ⁇ pf you ⁇ 25 ; 10 ⁇ pf you ⁇ 15 C3.
  • Pf c0 and Pf t are identical or different, preferably identical; C4.
  • the pressure Pf c1/t of the flow f c1/t after stage IX of conversion of kinetic energy into mechanical energy, in bars and in increasing order of preference, is such: pf c1/t ⁇ 2 ; 0.3 ⁇ pf c1/t ⁇ 1.5 ; of the order of 1 bar (atmospheric pressure).
  • the size of the FC droplets making up the fragmented flow generated in step (III) is between 100 and 600 ⁇ m, preferably between 200 and 400 ⁇ m.
  • the IMA comprises at least one mixer with nozzles of the fragmented stream f c0 and of the stream f t in the form of vapor.
  • the IMA advantageously comprises at least one acceleration nozzle connected to the outlet of the mixer or mixers.
  • the converter of the accelerated flux f c1/t into mechanical energy is constituted by at least one turbine, preferably an action turbine.
  • this transformer of mechanical energy into refrigerating energy consists of at least one direct drive of the shaft of the compressor of the refrigerating machine.
  • FIG. 1 diagrammatically illustrates the principle and the means of the system according to the invention for converting thermal energy into mechanical then electrical energy.
  • Block -1- symbolizes a fatal heat source contained in a fatal fluid (FF). It may be for example a smoke-emitting industrial process (FF).
  • FF temperature T°
  • FF temperature T 2
  • FF flue gas treatment installation FF
  • FF stripped of at least some of the solid elements is evacuated through line 23 to a chimney 6 which releases FF into the ambient air.
  • the device symbolized on the figure 1 further comprises an injector-mixer-accelerator (IMA) 10ii producing a mixed and accelerated double-phase flow f c1/t , a converter 11iii of the kinetic energy of the mixed and accelerated double-phase flow f c1/t , into mechanical energy, and a 12iv transformer of this mechanical energy into electrical energy.
  • IMA injector-mixer-accelerator
  • the converter 11iii is for example a Pelton-type action turbine and the transformer 12iv, an electric generator.
  • a fluid circulation loop FC and a fluid circulation loop FT are provided.
  • FT is advantageously selected from the group comprising: water, glycerol, and mixtures thereof.
  • FC is advantageously selected from vegetable or mineral oils which are immiscible with water, for example castor oil and/or olive oil.
  • the fatal fluid FF consists eg of fumes.
  • FT is, for example, water identified by the references e1 to e6
  • FC is, for example, castor oil, identified by the references h1 to h3
  • the fumes FF are identified by the references f1 to f3.
  • a liquid flow f c0 of oil h1 at the temperature Th1, for example between 200 and 350° C., and at a pressure Ph1 travels in the pipe 34, thanks to the oil pump 35 for circulating f c0 , then a liquid flow f c0 of oil h2 at a pressure Ph2 greater than Ph1, reaches the oil inlet of the heat exchanger 3i fumes f1 / oil h2, through line 31.
  • the fumes f1 enter the exchanger via another inlet, and preferably countercurrent to the liquid flow f c0 .
  • the operating pressure Pf c0 (in bars) of the flow f c0 before the spraying in step III and after the compression of the flow f c0 of FC in step XII is for example between 10 and 20 bars.
  • the flow f c0 of oil h3 heated in step (II) is collected at the outlet of exchanger 3i via line 33, at the temperature Th3 > Th1 & Th2, for example between 200 and 350° C., then enters in IMA 10ii.
  • the speed V of the flow f c0 is, for example, between 10 and 20 m/s.
  • the IMA 10ii includes a fragmenter which transforms this liquid flow f c0 of h3 oil into a mist of h3 droplets.
  • the size of these droplets is for example between 200 and 400 ⁇ m.
  • a liquid flow f t0 of water e1 travels in the pipe 46, thanks to the water pump 47 for circulating f t0 , then a liquid flow f t0 of water e2, at a temperature Te2, for example between 40 and 80°C, lower than Te cond , reaches the water inlet of the heat exchanger 4i fumes f2 / water e2, through the line 41.
  • the operating pressure Pf '(in bars) of the flow f t before the spraying of stage III and after the compression of the flow f t00 of FC in stage XIV is for example identical to Pf c0 and between 10 and 20 bars.
  • the flow f t of water e3 heated in step (V) and at least partly consisting of steam, is collected at the outlet of the exchanger 4i through the pipe 43, at the temperature Te3> Te1 & Te2, for example included between 180 and 250°C, then enters the IMA 10ii.
  • Te3 advantageously corresponds to the evaporation temperature Te vap of the FT, in this case of water.
  • the speed V of the vapor flow f t is, for example, between 60 and 100 m/s.
  • step (VI) of heating the flow f t of water e3 flow f t , to vaporize it so that its vapor content is greater than or equal to 0.9; preferably at 0.95, is achieved by suitable sizing of the exchanger 4i.
  • This acceleration increases the speed of the flow f c1 mixed with the flow f t , from 10 to 20 m/s, to a speed Vf c1/t greater than or equal to 100 m/s, for example between 120 and 140 m/s.
  • This biphasic mixed flux f c1/t e3m becomes the accelerated biphasic mixed flux f c1/t e4.
  • FIG. 2B which represents the cycle described by the flow f t of vapor e3 between the hot source and the cold source in space T temperature and S entropy, shows that the expansion of stage (VII), is an isothermal expansion up to the mixture of the vapor flow f t and the fragmented flow f c1 , which induces quasi-isothermal expansion down to the flow f c1/t e3m.
  • stage (VII) is an isothermal expansion up to the mixture of the vapor flow f t and the fragmented flow f c1 , which induces quasi-isothermal expansion down to the flow f c1/t e3m.
  • step (VIII) of acceleration and expansion of the biphasic mixed flow f c1/t corresponds to step (VIII) of acceleration and expansion of the biphasic mixed flow f c1/t .
  • step (X) Before the separation of step (X), the flow f c1/t e4 which has become e5 and released from a large part of its kinetic energy, is characterized by a pressure Pf c1/t approximately equal to or equal to atmospheric pressure.
  • step (X) After the separation of step (X), the flow f c1/t e5 is divided into a flow f t100 e6 and a flow f c0 h1. f c1/t and f t100 are recovered separately according to step (XI).
  • step (XII) the flow rate is compressed and increased by f c0 .
  • the flow f t00 of water vapor e6 sees its temperature drop to reach the temperature Te1 of the flow f t0 at least partly of liquid water e1, during the condensation step according to step (XIII).
  • step (XIV) the circulation speed is compressed and increased by f t0 .
  • the expansion of the flow f t in the enclosure also receiving the flow f c1 of fluid mist FC generates a horn effect caused by a driving flow, namely the flow f t of FT, on an aspirated flow, namely the flow f c1 of FC.
  • This horn effect is determined by the configuration of the IMA 10ii mixing chamber.
  • This variant involves performing a step (VIII°) of pre-acceleration of the flow f t by expansion, preferably polytropic, of the flow f t .
  • FIG. 3A shows the diagram of the system according to this "double expansion" variant.
  • the present invention relates to a device in particular for implementing the method according to the invention.
  • This device includes:
  • This is, for example, an expansion nozzle whose profile is optimized to accelerate the speed of the flow of FT vapor.
  • the 10M mixer(s) included in the IMA 10ii can be a mixer(s) in which the splitter(s) is a nozzle splitter and / or any other device known per se comprising a suitable fragmenter.
  • the mixing chamber 50 has in this embodiment the general shape of an ogive, provided with an upstream wall 53, a longitudinal wall 54, and a downstream end portion 55 of convergence.
  • the upstream wall 53 is connected to the conduit 51 for admission of FT inside the mixing chamber 50.
  • a nozzle holder 56 connects the inlet duct 51 to a terminal nozzle 57 for ejecting the flow f t of vapor e3i into the enclosure 58 of the mixing chamber 50.
  • the nozzle holder 56 comprises in its end part a nozzle 57 making it possible to carry out step (VIII) of acceleration and expansion of the flow f t , preferably quasi-isothermal or by default polytropic, of the flow f t of vapor e3 ( Figure 3A ) so as to obtain the flow f t of vapor e3i ejected.
  • the nozzle holder 56 is an internal and axial segment with respect to the mixing chamber.
  • the terminal FT ejection nozzle 57 comprises an outlet orifice 57 s for the flow f t of vapor e3, arranged in the vicinity of the end part of the smallest dimension of the converging ogival chamber 50 .
  • the pipe 52 for inlet of the flow f c0 of FC into the mixing chamber 50 extends in a direction orthogonal with respect to the pipe 51 for the inlet of the flow f t of FT.
  • This pipe 52 opens into a circular pre-chamber 60 located in the upstream part of the chamber 50 in the form of an ogive.
  • This pre-chamber 60 distributes the flow f c0 of FC to a set of peripheral nozzles 61,62 distributed evenly around the nozzle holder 56, according to 2 levels, a central upstream level: nozzles 62 and a peripheral downstream level: nozzles 61.
  • the downstream end part 55 of convergence of the mixing chamber 50 is secured to the longitudinal wall 54 of this mixing chamber 50, by means of an upstream system of flanges and bolts designated by the general reference 63 on the figure 4 .
  • a circular sealing gasket 64 is arranged between this downstream end part 55 and the longitudinal wall 54.
  • Another downstream system 66 of flanges and bolts allows the attachment of the downstream end part 55 of the ogival chamber 50 to a conduit of acceleration 67.
  • the latter consists of a nozzle (of which only the upstream part and represented on the figure 4 ), collects the biphasic mixed flow f c1/t (referenced e3m on the Figure 3A ) to make it undergo an acceleration.
  • the nozzles 61 and 62 which are for example and in this case those which comprise an end portion in the form of a helical (“corkscrew”).
  • the nozzle holder 56 with an upstream constriction 59, as well as the acceleration nozzle 67 are also parts known per se and suitable for the performance of the vapor or biphasic vapor/oil fluid acceleration function.
  • the end of the outlet orifice 57 s of the terminal ejection nozzle 57 is placed at a distance d from the terminal part upstream of the inlet of the acceleration duct 67 of diameter D, such that: D ⁇ d ⁇ 3D, preferably 1.5D ⁇ d ⁇ 2.5D.
  • the converging ogival structure of the mixing chamber 50 makes it possible to generate a horn effect by which the flow f * of FT is a motive fluid which entrains the aspirated fluid constituted by the mist of fluid droplets FC (oil) flux f c1 .
  • This horn effect makes it possible to reduce the pressure at the outlet of the pump 35 of the fluid FC and therefore to reduce the power consumed.
  • the kinetic energy converter 11iii comprises a heat-insulated enclosure 150 formed of two domed half-shells 152 of elliptical shape advantageously welded to two flanges 154.
  • the welding of the two half-shells 152 forms a sealed enclosure 150 of substantially vertical axis B and perpendicular to the axis A of the injector 151.
  • the bottom of the enclosure 150 forms, for example, the heat transfer fluid reservoir FC (oil) where the latter is collected after it has passed through the converter 11iii, as will be described later. .
  • a tank 155 is arranged inside the enclosure 150.
  • This tank 155 is formed of a bottom 156 of substantially frustoconical or funnel-shaped shape and a wall 157 of substantially cylindrical shape extending from bottom 156, bottom 156 and wall 157 extending along axis B.
  • a cylindrical action wheel 158 is rotatably mounted on tank 155 via a shaft 159 extending along axis B substantially vertical.
  • the action wheel 158 is placed facing the injector 20 so that the jet injected by the latter drives the action wheel 158 and the shaft 159 in rotation so as to transform the axial kinetic energy of the jet into energy. kinetics of rotation of the shaft 159.
  • the action wheel 158 is arranged in the enclosure 150.
  • the impeller 158 includes a plurality of blades 160 extending substantially radially and having a concave shape.
  • the concavity 161 of the blades 160 is turned towards the injector 151 so that the injected jet coming from the injector reaches said concavities 161 and causes the rotation of the wheel 158.
  • the concavity of the blades 160 has an asymmetrical shape with respect to a axis C passing through the bottom 162 of the concavities and substantially perpendicular to these concavities, that is to say substantially parallel to the axis A located above the axis C. This asymmetry determines for each blade 160 an upper part 163 extending above the C axis and a lower part 164 extending below the C axis.
  • the upper part 163 and the lower part 164 have radii of curvature and different lengths.
  • the radius of curvature of the lower part 164 is greater than the radius of curvature of the upper part 163, while the length of the lower part 164 is greater than the length of the upper part 163.
  • the injector 151 is arranged to inject the jet on the upper part 163 of the blades 160.
  • the position of the injection of the jet on the blades 160 as well as the particular shape of the latter make it possible to lengthen the path of the jet in the blades 160 and to improve the stratification of this jet at the outlet of the blades, which allows the subsequent separation of the heat transfer fluid and the high temperature gas.
  • the exit angle of the jet of the blades 160 is substantially between 8° and 12° so that the jet at the vane outlet 160 has a greater kinetic energy than in a conventional Pelton turbine where the outlet angle of the vanes is substantially between 4° and 8°. This increase in kinetic energy makes it possible to improve the separation of the heat transfer fluid and the gas at high temperature.
  • the jet enters a deflector 165 extending under the blades 160 and arranged to redirect the fluid received towards the wall 157 of the tank 155.
  • the deflector 165 makes it possible to stratify the mixture of heat transfer fluid and high temperature gas, as shown in the figure 4 of WO2012/089940A2 .
  • the deflector 165 has a shape arranged to recover the mixture leaving the wheel 158 in a substantially vertical direction and to continuously redirect this mixture in a substantially horizontal direction, as shown in the figure 4 of WO2012/089940A2 , so that it leaves the deflector 165 tangentially to the wall 157 of the tank 155, that is to say that the mixture leaves the deflector 165 along the wall 157 of the tank 155.
  • the deflector 165 comprises at least one inlet opening 166 for the mixture of heat transfer fluid and high temperature gas at the outlet of the action wheel 158, said opening extending in a plane substantially perpendicular to the axis B of the impeller 158, that is to say a substantially horizontal plane, and an outlet opening 167 for the mixture, said opening extending in the vicinity of the wall 157 of the tank 155 and in a substantially vertical plane.
  • the inlet opening 166 and the outlet opening 167 are connected to each other by an envelope 168 having a curved shape, as shown in the picture 3 of WO2012/089940A2 .
  • internal walls extend inside the casing 168 substantially parallel thereto so as to define channels for circulation of the mixture in the casing and to separate several inlet openings and a corresponding number of exit openings.
  • the separation of the heat transfer fluid and the high temperature gas begins in the blades 160 by the centrifugation of the mixture due to the shape of the blades 160. Passing through the deflector 165, the rest of the mixture is stratified and passes continuously from a flow along the exit direction of the impeller 158 to a flow tangential to the wall 157 of the tank 155, as represented on the figure 4 of WO2012/089940A2 .
  • This tangential flow causes a centrifugation of the mixture, due to the cylindrical shape of the wall 157, which makes it possible to complete the separation of the high temperature gas and the heat transfer fluid by cyclone effect.
  • the separation of the mixture is carried out optimally so that the heat transfer fluid and the high temperature gas are more than 98% separated.
  • the fact of providing an action wheel 158 in rotation around a substantially vertical axis B makes it possible to create the cyclone effect on the wall of the tank, because it is possible to place a deflector 165 redirecting the mixture in an appropriate manner.
  • the energy converter comprises several injectors 151, for example six, as in a conventional Pelton turbine and an equal number of deflectors 165.
  • the heat transfer fluid is drawn towards the bottom of the tank 155 by gravity, while the high temperature gas, formed by water vapor moves towards the top of the enclosure 150.
  • the upper part of the enclosure 150 comprises means 169 for recovering the high temperature steam stream f t separated from the heat transfer fluid FC.
  • the high temperature vapor flow f t leaves the enclosure by these recovery means 169 and circulates in the rest of the installation as will be described later.
  • the bottom 156 of the tank 155 comprises means 170 for recovering the heat transfer fluid, so that the latter passes into the reservoir 171 on leaving the tank 157.
  • These recovery means 170 are for example formed by flow holes made in the bottom 156 of the tank 155 and communicating between the tank 155 and the bottom of the enclosure 150.
  • the heat transfer fluid recovered serves in particular to lubricate at least one plain thrust bearing 70 of the hydrodynamic type via which the shaft 159 of the action wheel 158 is rotatably mounted on the bottom 156 of the tank 155.
  • the plain thrust bearing 172 is immersed in the heat transfer fluid recovered by the recovery means 173.
  • Such a bearing 172 makes it possible to ensure the rotation of the shaft 159 at high speed in a high temperature environment with a long service life, unlike conventional ball bearings.
  • the installation of the bearing 172 inside the enclosure 150 makes it possible to have no sealing problem and to avoid coolant leaks which could be dangerous.
  • the converter 11iii comprises two plain thrust bearings 172.
  • a circulation pump 173 for heat transfer fluid FC (oil), for example of the volumetric type, is mounted on the shaft 159 via a homokinetic joint 174.
  • This pump is connected to an outlet pipe 175 connecting the inside of the enclosure 150 to the outside and allowing the heat transfer fluid to circulate towards the rest of the installation 1.
  • the circulation pump 72 is arranged to suck the heat transfer fluid FC from the reservoir 171 and to inject it into the outlet pipe 175.
  • the circulation pump has no drive motor since its actuation is ensured by the rotation of the shaft 159 of the action wheel 158 driven by the jet injected by the injector 151.
  • the shaft 159 of the action wheel 158 comes out of the enclosure 151 via a piston 184 arranged to ensure sealing between the interior of the enclosure 151 and the exterior of the enclosure 151 , for example a Swedish piston.
  • the shaft 159 rotates the rotor of the alternator 12iv, advantageously of the permanent magnet type.
  • This alternator 12iv makes it possible to transform the kinetic energy of rotation of the shaft 159 into electrical energy.
  • the 12iv alternator is cooled, at its air gap, by a fan 180 mounted on its rotor and by a water circulation pipe, forming the cooling yoke 181, which sheaths its stator.
  • the water supplying the cooling cylinder head 181 comes from a water supply source and is brought to the cylinder head by a volumetric pump 182 actuated by the shaft 159 via a reducer 183.
  • the pump 108 is devoid of an actuating motor.
  • Cooling cylinder head 181 serves to cool alternator 12iv and to preheat the water, as previously described.
  • the flow f t of water vapor collected by the recovery means 169 provided in the enclosure 151 of the figure 5 is cooled by a condenser 45 to be transformed into a flow f t0 of liquid thermodynamic fluid FT (water) before being recycled.
  • This may be, for example, an air cooler type condenser or an exchanger whose secondary is supplied with water at a temperature below 60°C (river, canal, etc.).

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Description

    Domaine technique
  • Le domaine de l'invention est celui des technologies de valorisation de la chaleur, en particulier de la chaleur fatale industrielle.
  • L'invention concerne en particulier un procédé de conversion d'énergie thermique en énergie mécanique, puis, de préférence, en énergie électrique et/ou en énergie frigorifique.
  • L'invention vise également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
    • Etat de l'art - Problème technique
  • La chaleur fatale est la chaleur résiduelle issue d'un procédé et non utilisé par celui-ci (fumée, buée de séchage, échappement d'un moteur thermique,...)
  • Les sources de chaleur fatale sont très diversifiées. Il peut s'agir de sites de production d'énergie (les centrales nucléaires), de sites de production industrielle, de bâtiments tertiaires d'autant plus émetteurs de chaleur qu'ils en sont fortement consommateurs comme les hôpitaux, de réseaux de transport en lieu fermé, ou encore de sites d'élimination comme les unités de traitement thermique de déchets.
  • Pour ce qui concerne la chaleur fatale industrielle, les secteurs de la sidérurgie, de la chimie, du ciment, de l'agro-alimentaire ou encore du verre, génèrent des quantités énormes de chaleur perdues par dissémination dans l'atmosphère.
  • A titre d'exemple, 36 % de la consommation de combustible de l'industrie est perdue sous forme de chaleur.
  • Les gaz d'échappement sont une autre source de chaleur fatale.
  • La chaleur fatale représente un gisement de l'ordre de 50 % de la consommation mondiale d'énergie, tous domaines confondus.
  • La directive européenne 2012/27/UE relative à l'efficacité énergétique rend obligatoire pour les émetteurs de chaleur fatale situés à proximité d'un réseau de chaleur, la réalisation d'une analyse coûts-avantages afin d'étudier les possibilités de valorisation de la chaleur fatale. Si la solution est jugée rentable, elle doit être mise en oeuvre. De même, tout projet de réseau de chaleur doit également évaluer les différents potentiels de récupération de chaleur fatale.
  • Dans ce contexte, la demande de brevet WO2012089940A2 décrit un dispositif de conversion d'une énergie thermique en une énergie mécanique comportant :
    • une ligne d'approvisionnement en premier fluide,
    • une ligne d'approvisionnement en fluide caloporteur,
    • un générateur de vapeur muni :
      • o d'une première entrée connectée à la ligne d'approvisionnement du premier fluide, le premier fluide empruntant un premier chemin entre la première entrée et une première sortie,
      • o d'une deuxième entrée recevant le fluide caloporteur, le fluide caloporteur empruntant un deuxième chemin entre la deuxième entrée et une deuxième sortie, le deuxième chemin étant distinct du premier chemin, le premier chemin étant couplé thermiquement au deuxième chemin, de manière à former de la vapeur à partir du premier fluide, ladite vapeur sortant du générateur par la première sortie,
    • une chambre munie :
      • o d'une première entrée connectée à la première sortie du générateur de vapeur, le premier fluide empruntant un premier chemin dans la chambre entre la première entrée et une première sortie, la chambre étant configurée pour réaliser la détente isotherme du premier fluide dans la chambre au moyen une détente fractionnée par une pluralité de détentes élémentaires isothermes,
      • o d'une deuxième entrée connectée à la ligne d'approvisionnement en fluide caloporteur, le fluide caloporteur empruntant un deuxième chemin distinct du premier chemin entre la deuxième entrée et une deuxième sortie, la deuxième sortie de la chambre étant connecté à la deuxième entrée du générateur de vapeur,
      • Le premier chemin étant couplé thermiquement au deuxième chemin de manière à chauffer le premier fluide entre chaque détente,
    • un dispositif de mélange connecté à la première sortie de la chambre et à la deuxième sortie du générateur de vapeur et configuré de manière à mélanger le premier fluide sous forme vapeur avec un fluide caloporteur pour obtenir un mélange double phase.
  • Le fluide caloporteur est chauffé des moyens de captation d'énergie solaire.
  • Le fluide caloporteur est par exemple de l'huile tandis que le premier fluide est un flux thermodynamique, par exemple de l'eau ou un mélange eau/glycérol. Ce mélange double phase est un flux de fluide caloporteur sous forme de gouttelettes d'huile et de fluide thermodynamique sous forme de vapeur d'eau, à haute température. L'énergie cinétique de ce flux est transformée en énergie mécanique au moyen d'une turbine du type turbine Pelton, entraînant un alternateur électrique. On récupère le mélange huile/eau en sortie turbine et on sépare les 2 fluides, qui sont ensuite réutilisés dans cette conversion énergétique de chaleur en énergie mécanique puis en électricité.
  • Dans ce procédé et ce dispositif selon WO2012089940A2 , le fluide caloporteur est chauffé par un concentrateur solaire et concourt ensuite à la transformation en vapeur du fluide thermodynamique puis au réchauffement du fluide thermodynamique entre chaque détente. Ce procédé et ce dispositif selon WO2012089940A2 ne sont pas spécifiquement adaptés à la transformation en énergie électrique de l'énergie thermique provenant de chaleur fatale, laquelle peut avoir une large plage de température. Par ailleurs, les performances de ce procédé et de ce dispositif connus peuvent être améliorées notamment en termes de rendement énergétique et d'extension de la gamme des puissances électriques générées. Document US 3 972 195 A montre un procédé de conversion d'énergie thermique selon l'état de la technique. U
    • Objectifs de l'invention
  • Dans ce contexte, la présente invention vise à satisfaire à au moins l'un des objectifs énoncés ci-après.
    • Figure imgb0001
      L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un procédé perfectionné de conversion d'énergie thermique, de préférence de chaleur fatale, en énergie mécanique, et, préférentiellement en énergie électrique et/ou en énergie frigorifique, le perfectionnement recherché consistant en une amélioration du rendement énergétique de la conversion.
    • Figure imgb0002
      L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un procédé perfectionné de conversion d'énergie thermique provenant d'une source de chaleur fatale, en énergie mécanique, et, préférentiellement en énergie électrique et/ou en énergie frigorifique, le perfectionnement recherché consistant en une adaptabilité du procédé à des sources de chaleur fatale dont la température varie dans une large gamme .
    • Figure imgb0002
      L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un procédé perfectionné de conversion d'énergie thermique, de préférence de chaleur fatale, en énergie mécanique, et, préférentiellement en énergie électrique et/ou en énergie frigorifique, qui soit économique en termes de production et de maintenance.
    • Figure imgb0002
      L'un des objectifs essentiels de la présente invention de fournir un procédé perfectionné de conversion d'énergie thermique, de préférence de chaleur fatale, en énergie mécanique, et, préférentiellement en énergie électrique et/ou en énergie frigorifique, qui soit en adéquation avec les contraintes environnementales.
    • Figure imgb0002
      L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un dispositif industriel, fiable, performant, économique et robuste, pour la mise en oeuvre du procédé tel que visé dans l'un des objectifs ci-dessus.
    Brève description de l'invention
  • Ces objectifs, parmi d'autres, sont atteints par la présente invention formulée par les caractéristiques de la revendication 1 et qui concerne, en premier lieu, un
    • procédé de conversion d'énergie thermique, de préférence de chaleur fatale, contenue dans un fluide au moins en partie gazeux dit fluide fatal (FF), en énergie mécanique, et, préférentiellement en énergie électrique et/ou en énergie frigorifique;
    • ledit procédé mettant en oeuvre au moins un fluide thermodynamique FT et au moins un fluide caloporteur FC, dans lequel :
      1. I. on met en oeuvre un flux f c0 de fluide FC au moins en partie liquide;
      2. II. on transfère au flux f c0 de l'énergie thermique à convertir issue du fluide FF;
      3. III. on pulvérise le flux f c0 chauffé en (II) pour générer un flux f c1 fragmenté de fluide FC;
      4. IV. en parallèle, on met en oeuvre un flux f t0 de fluide FT au moins en partie liquide;
      5. V. puis on transfère au flux f t0 de fluide FT de l'énergie thermique à convertir issue du fluide FF, pour générer un flux ft, dont la température est supérieure à celle du flux ft0, le fluide FT du flux ft étant:
        1. i. en phase liquide;
        2. ii. en phase liquide et en phase vapeur;
        3. iii. en phase vapeur à saturation;
        4. iv. ou en phase vapeur surchauffée ;
      6. VI. au besoin, on chauffe le flux f', pour le vaporiser de sorte que son titre en vapeur soit supérieur ou égal à 0,9; de préférence à 0,95;
      7. VII. on injecte le flux ft dans au moins une enceinte recevant également le flux f c1 de fluide FC, pour former un flux mélangé biphasique f c1/t; le rapport Rd du débit massique du fluide FT sur le débit massique total du fluide FC et du fluide FT, étant compris entre 1 et 20%, de préférence entre 3 et 18%, et, plus préférentiellement encore entre 5 et 15 %;
      8. VIII. ce flux f c1/t est ensuite accéléré et détendu;
      9. IX. on convertit l'énergie cinétique de ce flux accéléré f c1/t en énergie mécanique; cette dernière étant éventuellement transformée en énergie électrique et/ou en énergie frigorifique;
      10. X. on sépare, d'une part, FT et, d'autre part, FC ;
      11. XI. on récupère, d'une part, un flux f t00 au moins en partie gazeux de FT et, d'autre part, un flux f c0 au moins en partie liquide de FC ;
      12. XII. on comprime et on augmente la vitesse de circulation du flux f c0 de FC;
      13. XIII. on condense le flux f t00 au moins en partie gazeux de FT en un flux f t0 au moins en partie liquide de FT;
      14. XIV. on comprime et on augmente la vitesse de circulation du flux f t0 de FT; caractérisé
        • en ce que ce procédé comprend la mise en oeuvre d'au moins une boucle de circulation de FT et d'au moins une boucle de circulation de FC;
        • ces deux boucles ayant en commun:
          1. i. au moins un Injecteur-Mélangeur-Accélérateur (IMA) dans lequel le flux et le flux f t sont destinés à être injectés/mélangés/accélérés;
          2. ii. au moins un convertisseur du flux accéléré f c1/t en énergie mécanique;
          3. iii. éventuellement au moins un transformateur de cette énergie mécanique en énergie électrique et/ou en énergie frigorifique;
          4. iv. au moins un séparateur de FT et de FC;
            • la boucle de circulation de FT comportant au moins un échangeur thermique entre FT (étape V, voire VI) et FF, au moins un condenseur de FT et au moins une pompe de mise en circulation de FT dans cette boucle;
            • la boucle de circulation de FC comportant un échangeur thermique entre FC (étape II) et FF et au moins une pompe de mise en circulation de FC dans cette boucle.
  • Il est du mérite des inventeurs d'avoir imaginé de mettre en oeuvre deux boucles fluides : une de fluide caloporteur et une de fluide thermodynamique, chacune de ces boucles comportant des moyens de mise en circulation du fluide et des moyens de récupération de la chaleur fatale par échange thermique entre le fluide fatal et le fluide caloporteur dans l'une des boucles, ou le fluide thermodynamique dans l'autre boucle.
  • Cela fait du procédé selon l'invention une technique de conversion thermocinétique qui soit économique, fiable, performante, éco-compatible et à rendement amélioré.
  • Cette amélioration de l'efficacité de la transformation de la chaleur fatale et énergie mécanique, et préférentiellement en énergie électrique ou froid, est premièrement obtenue par une maximisation de la récupération de l'énergie fatale disponible par le réchauffage par échangeurs sur le flux de chaleur fatale d'un fluide caloporteur FC captant les hautes températures, complété par le réchauffage d'un fluide thermodynamique FT afin de capter les températures inférieures. Ce dispositif à deux fluides permet d'épuiser la quasi-totalité de l'énergie thermique valorisable.
  • Ce système jouit en effet d'un faible coût d'investissement et de maintenance.
  • Sa simplicité, sa robustesse, son caractère relativement silencieux, sa facilité d'implantation et de mise en œuvre, son fonctionnement à très faible pression (1-10 bars), sa sécurité, son respect de l'environnement (pas de pression dans les capacités, pas de fluide organique), sa flexibilité (diversité des sources de chaleur), sa modularité (plusieurs jets sur une même turbine), son pourcentage important de chaleur fatale valorisée grâce aux 2 fluides, le fait qu'ils produisent une source froide de l'ordre de 80°C permettant une valorisation complémentaire, son coût d'installation réduit, sa rentabilité financière, sont des atouts parmi d'autres du système selon l'invention.
  • Cette optimisation de la quantité de chaleur fatale captée est complétée par une optimisation du dispositif IMA (Injecteur-Mélangeur-Accélérateur) de transformation de l'énergie thermique en énergie cinétique, obtenue par un ratio adapté de proportion entre le fluide thermodynamique FT et le fluide caloporteur FC, éventuellement complété par une accélération du fluide thermodynamique FT en amont de son mélange avec le fluide caloporteur FC. Ainsi, dans son principe inventif, le procédé comprend pour la mise en oeuvre de l'étape VII, le choix d'un rapport Rd du débit massique du fluide FT sur le débit massique total du fluide FC et du fluide FT, est compris entre 1 et 20%, de préférence entre 3 et 18%, et, plus préférentiellement encore entre 5 et 15 %.
  • Conformément à l'invention, l'énergie thermique à convertir est contenue dans un fluide fatal FF, dont une partie des calories est transférée tout d'abord vers FC (étape II), et dont une autre partie des calories est ensuite transférée vers FT pour son réchauffement et, de préférence, pour sa vaporisation (étapes V et VI).
  • Selon une modalité intéressante de l'invention, la température de FF à la sortie des échangeurs de chauffage de FC et FT peut être avantageusement adaptée, avant que FF ne soit évacué à l'extérieur. En effet, quand FF est chargé en particules solides, FF est évacué à l'extérieur, de préférence, après avoir été soumis à un traitement d'extraction de ces particules solides par filtration, ce qui impose une température maximale de FF, afin de ne pas dégrader les filtres (typiquement <200 °C).
  • Grâce à l'utilisation de 2 fluides FT et FC chauffés directement par le fluide fatal FF, la température finale du FF est adaptée aux contraintes de filtration, s'il y a lieu, avant son évacuation à l'extérieur et/ou aux contraintes de corrosion, car il est possible de dimensionner de façon optimale les échangeurs thermiques mis en oeuvre dans ce procédé, et en particulier la température de FF à la sortie de l'échangeur FF/FT pour le chauffage de FT.
  • Selon une possibilité intéressante de l'invention, la température du fluide FF à l'issue des étapes II, V voire VI, est comprise entre 100 et 200 °C et plus préférentiellement encore, entre 180 °C et 200°C. Ces valeurs de température pour FF au cours du procédé, augmente la compatibilité de ce dernier avec une grande multiplicité de processus industriels générant de la chaleur fatale.
  • Avantageusement, lors l'étape VII, l'injection du flux ft du fluide thermodynamique FT dans une enceinte d'injection de l'IMA se fait à une vitesse comprise entre 40 et 300 m/s, de préférence entre 50 et 150 m/s et, plus préférentiellement encore, entre 60 et 100 m/s.
  • Lors l'étape VIII, le flux ft est préférablement accéléré et détendu dans au moins une chambre de profil adapté, de préférence dans une tuyère.
  • Dans une variante remarquable, avant l'étape VIII, le flux ft est soumis, lors d'au moins une étape (VIII°) de pré-accélération par détente, de préférence quasi-isotherme ou polytropique, du flux f', dans au moins une chambre de profil adapté, de préférence dans une tuyère; cette étape (VIII°) étant avantageusement mise en oeuvre dans la même chambre de profil adapté que celle de l'étape (VIII).
  • Selon une autre disposition innovante du procédé conforme à l'invention, FT est un liquide aqueux, de préférence choisi dans le groupe comprenant -idéalement constitué par- l'eau, le glycérol et leurs mélanges. En outre, FC est choisi parmi les huiles végétales ou minérales, de préférence parmi les huiles non miscibles à l'eau et/ou ayant une température d'apparition d'un vernissage supérieure ou égale à 200°C, de préférence à 300°C, et, plus préférentiellement encore parmi les huiles végétales; FC étant idéalement choisi dans le groupe comprenant -idéalement composé de- : l'huile de ricin et/ou l'huile d'olive.
  • Suivant une caractéristique préférée de l'invention, le fluide fatal FF présente initialement une température supérieure ou égale à 200 °C et préférentiellement supérieure ou égale à 300 °C, et/ou est choisi parmi les fluides gazeux et, plus préférentiellement encore, dans le groupe comprenant - idéalement composé de-: l'air chaud, les vapeurs d'eau, les gaz d'échappement de moteurs, les fumées, en particulier les fumées industrielles, les chaleurs de flamme et les chaleurs de séchoirs, ou parmi les fluides liquides (e.g. comme c'est le cas dans les installations solaires à concentration).
  • Cela concerne en particulier les incinérateurs de déchets, les installations de production de chaleur à partir de la biomasse, les industries telles que les aciéries, les cimenteries, les verreries, ainsi que les moteurs thermiques notamment de groupe électrogène.
  • Le procédé selon invention se singularise en ce qu'il met en oeuvre au moins l'une des caractéristiques suivantes :
    C1. la pression de service Pf c0 (en bars) du flux f c0 avant la pulvérisation de l'étape III et après la compression du flux f c0 de FC à l'étape XII, est telle que - dans un ordre croissant de préférence- :
    3 ≤ Pf c 0 ≤ 30 ; 5 ≤ Pf c 0 ≤ 25 ; 10 ≤ Pf c 0 ≤ 15
    Figure imgb0006
    C2. la pression de service Pf t (en bars) du flux ft avant l'injection lors de l'étape VII et après la compression du flux f t00 de FC à l'étape XIV, est telle que - dans un ordre croissant de préférence- :
    3 ≤ Pf t ≤ 30 ; 5 ≤ Pf t ≤ 25 ; 10 ≤ Pf t ≤ 15
    Figure imgb0007
    C3. Pf c0 et Pf t sont identiques ou différentes, de préférence identiques;
    C4. La pression Pf c1/t du flux f c1/t après l'étape IX de conversion de l'énergie cinétique en énergie mécanique, en bars et dans un ordre croissant de préférence, est telle :
    Pf c1/t ≤ 2 ; 0,3 ≤ Pf c1/t ≤ 1,5
    Figure imgb0008
         		; de l'ordre de 1 bar (pression atmosphérique).
  • Avantageusement, la taille des gouttelettes de FC composant le flux fragmenté généré à l'étape (III) est comprise entre 100 et 600 µm, de préférence entre 200 et 400 µm.
  • Dans une variante performante de l'invention, on fait en sorte que la détente du flux ft dans l'enceinte de l'IMA recevant également le flux fc1 fragmenté de fluide FC, engendre un effet d'accélération (parfois appelé effet de trompe) provoqué par un flux moteur à savoir le flux f t de FT, sur un flux aspiré à savoir le flux fc1 de FC.
  • Dans un autre de ses aspects, la présente invention telle que formulée par la revendication 8 a pour objet un dispositif simple et efficace, en
    • particulier pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une boucle de circulation de FT et au moins une boucle de circulation de FC,
    • ces deux boucles ayant en commun:
      1. i. au moins un Injecteur-Mélangeur-Accélérateur (IMA) dans lequel le flux et le flux f t sont destinés à être injectés/mélangés/accélérés;
      2. ii. au moins un convertisseur du flux accéléré f c1/t en énergie mécanique;
      3. iii. éventuellement au moins un transformateur de cette énergie mécanique en énergie électrique et/ou en énergie frigorifique;
      4. iv. au moins un séparateur de FT et de FC;
        • la boucle de circulation de FT comportant au moins un échangeur thermique entre FT (étape V, voire VI) et FF, au moins un condenseur de FT et au moins une pompe de mise en circulation de FT dans cette boucle;
        • la boucle de circulation de FC comportant un échangeur thermique entre FC (étape II) et FF et au moins une pompe de mise en circulation de FC dans cette boucle.
  • De préférence, l'IMA comprend au moins un mélangeur à buses du flux f c0 fragmenté et du flux f t sous forme de vapeur.
  • Pour augmenter encore l'énergie cinétique du flux producteur de mouvement mécanique, l'IMA comprend avantageusement au moins une tuyère d'accélération connectée à la sortie du ou des mélangeurs.
  • De préférence, le convertisseur du flux accéléré f c1/t en énergie mécanique, est constitué par au moins une turbine, de préférence une turbine à action.
  • Sur une caractéristique intéressante de l'invention:
    • → le transformateur de l'énergie mécanique en énergie électrique, est constitué par au moins un alternateur et/ou au moins une génératrice,
    • → ou le transformateur de l'énergie mécanique en énergie frigorifique est constitué par au moins une machine frigorifique comprenant au moins un compresseur comportant au moins un arbre susceptible d'être entraîné en rotation par une source d'énergie mécanique.
  • Par exemple, ce transformateur de l'énergie mécanique en énergie frigorifique est constitué par au moins un entrainement direct de l'arbre du compresseur de la machine frigorifique.
  • Dans un mode de réalisation, le mélangeur est un mélangeur à buses qui comprend:
    • au moins un fragmenteur du flux fc0 sous forme de gouttelettes, ledit fragmenteur comportant au moins une buse, préférentiellement plusieurs afin de minimiser les pertes de charge sur le flux fc0;
    • au moins une chambre de mélange du flux fc0 après fragmentation et du flux ft sous forme d'eau et/ou de vapeur, cette chambre de mélange convergeant dans le sens des flux FT et FC;
    • au moins un conduit d'admission de FT dans la chambre de mélange ;
    • au moins une canalisation d'admission de FC dans la chambre de mélange;
    • la chambre de mélange comportant une sortie disposée à son point de convergence, cette sortie débouchant dans au moins un conduit d'accélération;
    • le conduit d'admission de FT comprenant un segment interne et axial par rapport à la chambre de mélange, ce segment interne et axial étant muni d'au moins une buse terminale d'éjection de FT, qui comporte un orifice de sortie de FT disposé au voisinage de la partie d'extrémité de plus petite dimension de la chambre de mélange convergente ;
    • la canalisation d'admission de FC communiquant avec une pluralité de buses d'éjection de FC qui sont réparties sur le pourtour du segment interne et axial d'admission de FT, et qui comporte des orifices de sortie de FC en amont de l'orifice de sortie de FT;
    • le segment interne et axial du conduit d'admission de FT étant de préférence équipé d'un organe d'accélération, avantageusement formé par un venturi.
    Définitions
  • Dans tout le présent exposé, tout singulier désigne indifféremment un singulier ou un pluriel.
  • Les définitions données ci-après à titre d'exemples, peuvent servir à l'interprétation du présent exposé :
    • "fluide" : corps liquide et/ou gazeux
    • "fluide fatal FF" : fluide porteur de la chaleur fatale destinée à être convertie en énergie mécanique
    • "fluide thermodynamique FT" : fluide au moins en partie vaporisable au moyen des calories de l'énergie thermique à convertir et provenant du fluide fatal FF
    • "vapeur " : état gazeux du fluide
    • "fluide caloporteur FC" : fluide liquide apte à absorber les calories de l'énergie thermique à convertir et provenant du fluide fatal FF, sans passer entièrement à l'état gazeux ;
    • "environ" ou "sensiblement" signifie à plus ou moins 10 % près, voire plus ou moins 5% près, rapporté à l'unité de mesure utilisée;
    • "compris entre Z1 et Z2" signifie que l'une et/ou l'autre des bornes Z1, Z2 est incluse ou non dans l'intervalle [Z1, Z2] ;
    • « non miscible à l'eau » s'entend dans les conditions de température et de pression qui sont celles du procédé selon l'invention.
    • La «température d'apparition d'un vernissage » est la température à partir de laquelle on a un changement des caractéristiques de viscosité de l'huile, en particulier une augmentation marquée de la viscosité.
    Description détaillée de l'invention
  • Cette description est faite en référence aux figures annexées dans lesquelles :
    • La figure 1 est un schéma synoptique du système selon invention qui comprend le procédé avec ses modalités opératoires et le dispositif avec ses éléments constitutifs.
    • La figure 2A est un schéma du système selon invention faisant apparaître les flux de fluide thermodynamique FT et de fluide caloporteur FC à différents endroits du dispositif et à différents moments du procédé.
    • La figure 2B est un diagramme d'entropie de la température T du fluide thermodynamique FT en fonction de l'entropie S, correspondant au système de la figure 2A.
    • La figure 3A est un schéma d'une variante double détente du système selon invention faisant apparaître les flux de fluide thermodynamique FT et de fluide caloporteur FC à différents endroits du dispositif et à différents moments du procédé.
    • La figure 3B est un diagramme d'entropie de la température T du fluide thermodynamique FT en fonction de l'entropie S, correspondant au système de la figure 3A.
    • La figure 4 est une vue en coupe de l'injecteur-mélangeur-accélérateur (IMA) selon un premier mode de réalisation.
    • La figure 5 est une vue schématique en coupe partielle de la turbine et de l'alternateur du dispositif montré sur les figures 1 & 2A.
    PROCEDE Mode préféré de mise en œuvre du procédé selon invention
  • La figure 1 annexée illustre schématiquement le principe et les moyens du système selon invention de conversion d'énergie thermique en énergie mécanique puis électrique.
  • Le pavé -1- symbolise une source de chaleur fatale contenue dans un fluide fatal (FF). Il peut s'agir par exemple d'un procédé industriel émetteur de fumées (FF).
  • FF (température T°) est acheminé par une canalisation 2° au travers d'un premier échangeur 3i, puis par une canalisation 21 (FF à une température T1), au travers d'un 2e échangeur 4i en série avec l'échangeur 3i. Au sortir de l'échangeur 4i, FF (température T2) est amené via une canalisation 22, dans une installation de traitement des fumées FF, symbolisé par le pavé 5. Ce traitement est, par exemple, une filtration effectuée au moyen d'un filtre à manches.
  • FF débarrassé d'au moins une partie des éléments solides, est évacué par la canalisation 23 jusqu'à une cheminée 6 qui libère FF dans l'air ambiant.
  • Le dispositif symbolisé sur la figure 1 comporte par ailleurs un injecteur-mélangeur-accélérateur (IMA) 10ii produisant un flux double phase mélangé et accéléré f c1/t, un convertisseur 11iii de l'énergie cinétique du flux double phase mélangé et accéléré f c1/t , en énergie mécanique, et un transformateur 12iv de cette énergie mécanique en énergie électrique. Le convertisseur 11iii est par exemple une turbine à action de type Pelton et le transformateur 12iv, une génératrice électrique.
  • Suivant l'invention, il est prévu une boucle de circulation de fluide FC et une boucle de circulation de fluide FT.
  • La boucle FC comprend :
    • l'échangeur thermique 3i;
    • une canalisation 31 d'alimentation de FC dans l'échangeur 3i;
    • un serpentin 32, siège du transfert de calories de FF vers FC ( à titre d'alternative au serpentin, il est possible de mettre en oeuvre un échangeur fonctionnant selon une autre technologie, par exemple : tube de fumée, plaques...) ;
    • une canalisation 33 de transfert de FC de l'échangeur 3i vers l'IMA 10ii;
    • l'IMA 10ii;
    • la turbine 11iii;
    • la génératrice 12iv;
    • un séparateur de FC et de FT comprenant une capacité 13v et disposé en sortie de turbine 11iii
    • une canalisation 34 de récupération/recyclage de FC, connectée à la capacité de séparation 13v;
    • une pompe 35 de mise en circulation de FC,
      cette pompe 35 étant reliée, d'une part, à la capacité de séparation13v par la canalisation 34, et, d'autre part, à l'échangeur 3i, par la canalisation 31.
  • La boucle FT comprend :
    • l'échangeur thermique 4i;
    • une canalisation 41 d'alimentation de FT dans l'échangeur 4i;
    • un serpentin 42, siège du transfert de calories de FF vers FC ( à titre d'alternative au serpentin, il est possible de mettre en oeuvre un échangeur fonctionnant selon une autre technologie, par exemple : tube de fumée, plaques...) ;
    • siège du transfert de calories de FF vers FT ;
    • une canalisation 43 de transfert de FT de l'échangeur 4i vers l'IMA 10ii;
    • l'IMA 10ii;
    • la turbine 11iii;
    • la génératrice 12iv;
    • un séparateur 13v de FC et de FT, en sortie de turbine 11iii
    • une canalisation 44 de récupération/recyclage de FT vapeur, connectée au séparateur 13v;
    • un condenseur 45 de FT;
    • une canalisation 46 de recueil de FT liquide à la sortie du condensateur 45;
    • une pompe 47 de mise en circulation de FT,
      cette pompe 47 étant reliée, d'une part, au condenseur 45 par la canalisation 46, et, d'autre part, à l'échangeur 4i, par la canalisation 41.
  • FT est avantageusement sélectionné dans le groupe comprenant : l'eau, le glycérol, et leurs mélanges. FC est avantageusement sélectionné parmi les huiles végétales ou minérales, non miscibles avec l'eau, par exemple l'huile de ricin et/ou l'huile d'olive.
  • Le fluide fatal FF est constitué e.g. par des fumées.
  • Dans les figures 2A&2B, FT est, par exemple, de l'eau repérée par les références e1 à e6, FC est, par exemple, de l'huile de ricin, repérée par les références h1 à h3, et les fumées FF sont repérées par les références f1 à f3.
  • Comme montré sur les figures 2A&2B, dans la boucle FC, un flux liquide fc0 d'huile h1, à la température Th1, par exemple comprise entre 200 et 350°C, et à une pression Ph1, chemine dans la canalisation 34, grâce à la pompe à huile 35 de mise en circulation de fc0, puis un flux liquide fc0 d'huile h2 à une pression Ph2 supérieure à Ph1, parvient à l'entrée huile de l'échangeur thermique 3i fumées f1/huile h2, par la canalisation 31.
  • Les fumées f1 pénètrent dans l'échangeur via une autre entrée, et, de préférence, à contre-courant du flux liquide fc0.
  • La pression de service Pf c0 (en bars) du flux f c0 avant la pulvérisation de l'étape III et après la compression du flux f c0 de FC à l'étape XII, est par exemple comprise entre 10 et 20 bars.
  • Le flux f c0 d'huile h3 chauffé dans l'étape (II) est recueilli en sortie d'échangeur 3i par la canalisation 33, à la température Th3 > Th1 & Th2, par exemple comprise entre 200 et 350°C, puis pénètre dans l'IMA 10ii. La vitesse V du flux f c0 est, par exemple, comprise entre 10 et 20 m/s.
  • L'IMA 10ii comprend un fragmenteur qui transforme ce flux liquide fc0 d'huile h3 en brouillard de gouttelettes h3. La taille de ces gouttelettes est par exemple comprise entre 200 et 400 µm.
  • Comme montré sur les figures 2A&2B, dans la boucle FT, un flux liquide ft0 d'eau e1, à une température inférieure à celle de condensation Tecond, chemine dans la canalisation 46, grâce à la pompe à eau 47 de mise en circulation de ft0 , puis un flux liquide ft0 d'eau e2, à une température Te2, par exemple comprise entre 40 et 80 °C, inférieure à Tecond, parvient à l'entrée eau de l'échangeur thermique 4i fumées f2/eau e2, par la canalisation 41.
  • Les fumées f2 en provenance de l'échangeur thermique 3i fumées f1/huile h2, pénètrent dans l'échangeur 4i via une autre entrée, et, de préférence, à contre-courant du flux liquide ft0.
  • La pression de service Pf '(en bars) du flux f t avant la pulvérisation de l'étape III et après la compression du flux f t00 de FC à l'étape XIV est par exemple identique à Pf c0 et comprise entre 10 et 20 bars.
  • Le flux f t d'eau e3 chauffé dans l'étape (V) et au moins en partie constitué de vapeur, est recueilli en sortie d'échangeur 4i par la canalisation 43, à la température Te3> Te1 & Te2, par exemple comprise entre 180 et 250°C, puis pénètre dans l'IMA 10ii.
  • Te3 correspond avantageusement à la température d'évaporation Tevap du FT, en l'occurrence de l'eau. La vitesse V du flux ft de vapeur est, par exemple, comprise entre 60 et 100 m/s.
  • L'étape éventuelle (VI) de chauffage du flux f t d'eau e3 flux ft, pour le vaporiser de sorte que son titre en vapeur soit supérieur ou égal à 0,9; de préférence à 0,95, est réalisée par un dimensionnement adapté de l'échangeur 4i.
  • La partie commune aux boucles FT et FC qui comprend les éléments du dispositif IMA 10ii, turbine 11iii, alternateur 12iv et séparateur 13v, est ensuite le siège:
    • de l'étape (III) de pulvérisation du flux f c0 chauffé dans l'étape (II) pour générer un flux f c1 fragmenté de gouttelettes de fluide FC, en l'occurrence huile;
    • de l'étape (VII) d'injection du flux ft dans au moins une enceinte recevant également le flux f c1 de fluide FC, pour former un flux mélangé biphasique f c1/t e3m;
    • de l'étape (VIII) d'accélération et de détente du flux f c1/t mélangé biphasique e3m.
  • Cette accélération augmente la vitesse du flux f c1 mélangé au flux f t, de 10 à 20 m/s, à une vitesse Vf c1/t supérieure ou égale à 100 m/s, par exemple comprise entre 120 et 140 m/s. Ce flux f c1/t mélangé biphasique e3m, devient le flux fc1/t mélangé biphasique accéléré e4.
  • Lors de l'étape (VII) pour former un flux mélangé biphasique f c1/t , on règle les débits massiques des fluides FT et FC de telle sorte que le rapport Rd= débit massique de FT/Σ débits massiques de FT & FC = 1 à 20%, par exemple 10 %.
  • La figure 2B qui représente le cycle décrit par le flux f t de vapeur e3 entre la source chaude et la source froide dans l'espace T température et S entropie, montre que la détente de l'étape (VII), est une détente isotherme jusqu'au mélange du flux f t de vapeur et du flux f c1 fragmenté, qui induit une détente quasi-isotherme jusqu'au flux f c1/t e3m.
  • Cela correspond à l'étape (VIII) d'accélération et de détente du flux mélangé biphasique f c1/t.
  • Cela suppose de faire en sorte par le dimensionnement des échangeurs 3i & 4i que Th3 soit > à Te3.
  • L'accélération subie par le flux f c1/t e3m dans l'IMA 10ii produit un flux accéléré f c1/t e4, qui est projeté sur les aubes de la turbine 11iii, par exemple de type Pelton 9, utile comme convertisseur de l'énergie cinétique en une énergie mécanique de rotation transmise à l'alternateur 12iv qui produit de l'énergie électrique, tout ceci dans le cadre de l'étape (IX).
  • Avant la séparation de l'étape (X), le flux f c1/t e4 devenu e5 et libéré d'une grande partie de son énergie cinétique, est caractérisé par une pression Pf c1/t environ égale ou égale à la pression atmosphérique.
  • Après la séparation de l'étape (X), le flux f c1/t e5 se divise en un flux f t100 e6 et en un flux fc0 h1. f c1/t et f t100 sont récupérés séparément selon l'étape (XI).
  • La figure 2B montre que les températures Te3m, Te4,Te4, Te5 et Te6 sont égales entre elles et sont supérieures à la température Tevap = Te3.
  • Dans l'étape (XII), on comprime et on augmente la vitesse de circulation de fc0.
  • Le flux f t00 de vapeur d'eau e6 voit sa température chuter pour atteindre la température Te1 du flux f t0 au moins en partie d'eau liquide e1, lors de l'étape de condensation selon l'étape (XIII).
  • Dans l'étape (XIV), on comprime et on augmente la vitesse de circulation de ft0.
    • Autre Variante de ce mode préféré de mise en œuvre du procédé selon invention
  • Suivant une possibilité intéressante de l'invention, on fait en sorte que la détente du flux f t dans l'enceinte recevant également le flux f c1 de brouillard de fluide FC, engendre un effet de trompe provoqué par un flux moteur à savoir le flux f t de FT, sur un flux aspiré à savoir le flux f c1 de FC.
  • Cet effet de trompe est déterminé par la configuration de l'enceinte de mélange de l'IMA 10ii.
  • Des exemples de réalisation d'une telle configuration sont donnés ci-après.
    • Variante "double détente" de ce mode préféré de mise en œuvre du procédé selon invention
  • Il s'agit dans cette variante d'exécuter une étape (VIII°) de pré-accélération du flux ft par détente, de préférence polytropique, du flux f t.
  • La figure 3A montre le schéma du système selon cette variante "double détente".
  • Cela correspond au schéma du système selon le mode préféré de réalisation montrée à la figure 2A, à la différence près, que le flux f t de vapeur d'eau e3 est introduite, via la canalisation 43.1 reliée à la sortie de l'échangeur 4i, dans un accélérateur 14 de vapeur seule, dans lequel ce flux f ' est soumis à une détente, de préférence polytropique, qui fait chuter la température de Tevap = Te3 par exemple comprise entre 210 et 230°C, jusqu'à une température Te3i > Tevap = Te3 par exemple comprise entre 180 et 205 °C.(Voir figure 3B).
  • Le flux f t de vapeur d'eau e3i est ensuite admis, par l'intermédiaire de la canalisation 43.2, dans l'IMA 10ii.
  • Le reste du système selon cette variante "double détente" correspond à la description faite pour le système selon le mode préféré de mise en oeuvre du procédé selon invention.
    • DISPOSITIF
  • Dans un autre de ses aspects, la présente invention concerne un dispositif notamment pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Ce dispositif comprend :
    • Échangeur thermique 3i
  • Il s'agit par exemple d'un échangeur fumées/huile tubulaire (à contre-courant).
    • Échangeur thermique 4i
  • Il s'agit par exemple d'un échangeur fumées/eau à plaques (à contre-courant).
    • Accélérateur 14 de vapeur seule
  • Il s'agit par exemple d'une tuyère de détente dont le profil est optimisé pour accélérer la vitesse du flux de vapeur de FT.
    • IMA 10ii
  • De préférence, le (ou les) mélangeur(s) 10M compris dans l'IMA 10ii peu(ven)t être un(des) mélangeur(s) dans le(s)quel(s) le fragmenteur est un fragmenteur à buses et/ou tout autre dispositif connu en soi comprenant un fragmenteur adapté.
  • De préférence, le (ou les) accélérateur(s) 10A compris dans l'IMA 10ii peu(ven)t être une (des) tuyère(s) d'accélération dimensionnées pour être soniques au col (Vitesse du fluide = vitesse du son dans le milieu).
    • Mode de réalisation avec un mélangeur à buses
  • Comme montré sur la figure 4, le mélangeur à buses comprend de préférence:
    • au moins une chambre 50 de mélange du flux sous forme de brouillard et du flux f t sous forme de vapeur ou de mélange vapeur/eau, cette chambre de mélange 50 convergeant dans le sens des flux ft et fc1;
    • au moins un conduit 51 d'admission du flux ft de FT dans la chambre 50 de mélange ;
    • au moins une canalisation 52 d'admission de FC dans la chambre 50 de mélange;
  • La chambre 50 de mélange a dans cet exemple de réalisation une forme générale d'ogive, pourvue d'une paroi amont 53, d'une paroi longitudinale 54, et d'une partie terminale aval 55 de convergence. La paroi amont 53 est reliée au conduit 51 d'admission de FT à l'intérieur de la chambre 50 de mélange. Un porte-tuyère 56 connecte le conduit d'admission 51 à une tuyère 57 terminale d'éjection du flux ft de vapeur e3i dans l'enceinte 58 de la chambre de mélange 50. Le porte-tuyère 56 comprend dans sa partie terminale une tuyère 57 permettant de réaliser l'étape (VIII) d'accélération et de détente du flux f t, de préférence quasi isotherme ou par défaut polytropique, du flux f t de vapeur e3 (figure 3A) de manière à obtenir le flux f t de vapeur e3i éjecté.
  • Le porte-tuyère 56 est un segment interne et axial par rapport à la chambre de mélange. La tuyère 57 terminale d'éjection de FT comporte un orifice de sortie 57s du flux f t de vapeur e3, disposé au voisinage de la partie d'extrémité de plus petite dimension de la chambre 50 ogivale convergente.
  • La canalisation 52 d'admission du flux fc0 de FC dans la chambre 50 de mélange s'étend dans une direction orthogonale par rapport au conduit 51 d'admission du flux ft de FT. Cette canalisation de 52 débouche dans une pré-chambre 60 circulaire située dans la partie amont de la chambre 50 en ogive. Cette pré chambre 60 distribue le flux fc0 de FC un ensemble de buses 61,62 périphériques réparties de manière homogène autour du porte-tuyère 56, selon 2 niveaux, un niveau amont central : buses 62 et un niveau aval périphérique : buses 61. Ces buses 61,62 dont les orifices de sortie de FC sont en amont de l'orifice de sortie 57s du flux f t de FT, produisent le brouillard de gouttelettes de FC (flux fc1) dans l'enceinte 58 de la chambre 50 de mélange.
  • La partie terminale aval 55 de convergence de la chambre 50 de mélange est solidarisée à la paroi longitudinale 54 de cette chambre 50 de mélange, au moyen d'un système amont de brides et de boulons désignés par la référence générale 63 sur la figure 4. Un joint 64 circulaire d'étanchéité est disposé entre cette partie terminale aval 55 et la paroi longitudinale 54. Un autre système aval 66 de brides et de boulons permet la solidarisation de la partie terminale aval 55 de la chambre en ogive 50 à un conduit d'accélération 67. Ce dernier est constitué par une tuyère (dont seule la partie amont et représentée sur la figure 4), recueille le flux mélangé biphasique f c1/t (référencé e3m sur la figure 3A) pour lui faire subir une accélération.
  • Les buses 61 et 62, qui sont par exemple et en l'occurrence celles qui comportent une partie d'extrémité en forme hélicoïdale (« tire-bouchon »).
  • Le porte tuyère 56 avec un rétreint amont 59, de même que la tuyère d'accélération 67 sont également des pièces connues en elle-même et appropriées à l'exercice de la fonction accélération de fluide vapeur ou biphasique vapeur/huile.
  • Sur une caractéristique remarquable de l'invention, l'extrémité de l'orifice de sortie 57s de la tuyère 57 terminale d'éjection est placée à une distance d de la partie terminale amont de l'entrée du conduit d'accélération 67 de diamètre D, telle que : D ≤ d ≤ 3D, de préférence, 1,5D ≤ d ≤ 2,5D.
  • Sur une autre caractéristique remarquable de l'invention, la structure convergente ogivale de la chambre de mélange 50, le positionnement relatif de la tuyère 57 en aval des buses 61/62 permet de générer un effet de trompe par lequel le flux f * de FT est un fluide moteur qui entraîne le fluide aspiré constitué par le brouillard de gouttelettes de fluide FC (huile) flux fc1.
  • Cet effet de trompe permet de réduire la pression en sortie de la pompe 35 du fluide FC et donc de réduire la puissance consommée.
    • Convertisseur énergie cinétique/ énergie mécanique 11iii
  • Il s'agit par exemple d'une turbine de type Pelton, telle que celle décrite dans la demande de brevet PCT WO2012/089940A2 , en particulier sur les figures de 3 et 4 et dans les parties correspondantes de la description.
  • Cet exemple de convertisseur d'énergie cinétique 11iii est décrit à nouveau ci-après en référence à la figure 5.
  • Le convertisseur d'énergie cinétique 11iii comprend une enceinte calorifugée 150 formée de deux demi-coques 152 bombées de forme elliptique avantageusement soudées sur deux brides 154. La soudure des deux demi-coques 152 forme une enceinte 150 étanche d'axe B sensiblement vertical et perpendiculaire à l'axe A de l'injecteur 151. Le fond de l'enceinte 150 forme par exemple le réservoir de fluide caloporteur FC (huile) où celui-ci est récolté après son passage dans le convertisseur 11iii, comme cela sera décrit ultérieurement.
  • Une cuve 155 est disposée à l'intérieur de l'enceinte 150. Cette cuve 155 est formée d'un fond 156 de forme sensiblement tronconique ou en forme d'entonnoir et d'une paroi 157 de forme sensiblement cylindrique s'étendant à partir du fond 156, le fond 156 et la paroi 157 s'étendant selon l'axe B. Une roue à action 158 cylindrique est montée en rotation sur la cuve 155 par l'intermédiaire d'un arbre 159 s'étendant selon l'axe B sensiblement vertical. La roue à action 158 est disposée en regard de l'injecteur 20 de sorte que le jet injecté par celui-ci entraîne la roue à action 158 et l'arbre 159 en rotation de sorte à transformer l'énergie cinétique axiale du jet en énergie cinétique de rotation de l'arbre 159. La roue à action 158 est disposée dans l'enceinte 150.
  • La roue à action 158 comprennent une pluralité d'aubes 160 s'étendant sensiblement radialement et présentant une forme concave. La concavité 161 des aubes 160 est tournée vers l'injecteur 151 de sorte que le jet injecté provenant de l'injecteur atteint lesdites concavités 161 et entraîne la rotation de la roue 158. La concavité des aubes 160 présente une forme asymétrique par rapport à un axe C passant par le fond 162 des concavités et sensiblement perpendiculaire à ces concavités, c'est-à-dire sensiblement parallèle à l'axe A situé au-dessus de l'axe C. Cette asymétrie détermine pour chaque aube 160 une partie supérieure 163 s'étendant au-dessus de l'axe C et une partie inférieure 164 s'étendant en dessous de l'axe C. La partie supérieure 163 et la partie inférieure 164 présentent des rayons de courbure et des longueurs différents. En particulier, le rayon de courbure de la partie inférieure 164 est plus grand que le rayon de courbure de la partie supérieure 163, tandis que la longueur de la partie inférieure 164 est supérieure à la longueur de la partie supérieure 163.
  • L'injecteur 151 est agencé pour injecter le jet sur la partie supérieure 163 des aubes 160. La position de l'injection du jet sur les aubes 160 ainsi que la forme particulière de celles-ci permettent d'allonger le trajet du jet dans les aubes 160 et d'améliorer la stratification de ce jet en sortie des aubes, ce qui permet la séparation ultérieure du fluide caloporteur et du gaz à haute température. L'angle de sortie du jet des aubes 160, c'est-à-dire l'angle formé entre la tangente à l'extrémité de la partie inférieure de l'aube et l'axe horizontal C, est sensiblement compris entre 8° et 12° de sorte que le jet en sortie d'aube 160 présente une énergie cinétique plus importante que dans une turbine Pelton classique où l'angle de sortie des aubes est sensiblement compris entre 4° et 8°. Ce surcroît d'énergie cinétique permet d'améliorer la séparation du fluide caloporteur et du gaz à haute température.
    • Séparateur13v = déflecteur165
  • En sortie d'aube 160, le jet pénètre dans un déflecteur 165 s'étendant sous les aubes 160 et agencé pour réorienter le fluide reçu vers la paroi 157 de la cuve 155. Le déflecteur 165 permet de stratifier le mélange du fluide caloporteur et du gaz à haute température, comme représenté sur la figure 4 du WO2012/089940A2 . En particulier le déflecteur 165, plus particulièrement représenté sur la figure 3 du WO2012/089940A2 , présente une forme agencée pour récupérer le mélange sortant de la roue 158 selon une direction sensiblement verticale et pour réorienter de façon continue ce mélange selon une direction sensiblement horizontale, comme représenté sur la figure 4 du WO2012/089940A2 , de façon à ce qu'il sorte du déflecteur 165 de façon tangentielle à la paroi 157 de la cuve 155, c'est-à-dire que le mélange sort du déflecteur 165 en longeant la paroi 157 de la cuve 155. A cet effet, le déflecteur 165 comprend au moins une ouverture d'entrée 166 du mélange de fluide caloporteur et de gaz haute température en sortie de la roue à action 158, ladite ouverture s'étendant dans un plan sensiblement perpendiculaire à l'axe B de la roue 158, c'est-à-dire un plan sensiblement horizontal, et une ouverture de sortie 167 du mélange, ladite ouverture s'étendant au voisinage de la paroi 157 de la cuve 155 et dans un plan sensiblement vertical. L'ouverture d'entrée 166 et l'ouverture de sortie 167 sont reliées l'une à l'autre par une enveloppe 168 présentant une forme courbe, comme représenté sur la figure 3 du WO2012/089940A2 . Selon le mode de réalisation particulier représenté sur la figure 3 du WO2012/089940A2 , des parois internes s'étendent à l'intérieur de l'enveloppe 168 sensiblement parallèlement à celle-ci de sorte à définir des canaux de circulation du mélange dans l'enveloppe et à séparer plusieurs ouvertures d'entrée et un nombre correspondant d'ouvertures de sortie.
  • La séparation du fluide caloporteur et du gaz haute température commence dans les aubes 160 par la centrifugation du mélange due à la forme des aubes 160. En passant dans le déflecteur 165, le reste du mélange est stratifié et passe de façon continue d'un écoulement selon la direction de sortie de la roue 158 à un écoulement tangentiel à la paroi 157 de la cuve 155, comme représenté sur la figure 4 du WO2012/089940A2 . Cet écoulement tangentiel provoque une centrifugation du mélange, du fait de la forme cylindrique de la paroi 157, ce qui permet d'achever la séparation du gaz haute température et du fluide caloporteur par effet cyclone. Ainsi, la séparation du mélange est réalisée de façon optimale de sorte que le fluide caloporteur et le gaz à haute température sont séparés à plus de 98 %. Le fait de prévoir une roue à action 158 en rotation autour d'un axe B sensiblement vertical permet de créer l'effet cyclone sur la paroi de la cuve, du fait qu'il est possible de placer un déflecteur 165 réorientant le mélange de façon adéquate.
  • Selon un mode de réalisation, le convertisseur d'énergie comprend plusieurs injecteurs 151, par exemple six, comme dans une turbine Pelton classique et un nombre égal de déflecteurs 165.
  • Une fois séparé, le fluide caloporteur est entraîné vers le fond de la cuve 155 par la gravité, tandis que le gaz haute température, formé par de la vapeur d'eau se déplace vers le haut de l'enceinte 150. La partie supérieure de l'enceinte 150 comprend des moyens de récupération 169 du flux ft vapeur haute température séparé du fluide caloporteur FC. Le flux ft vapeur haute température sort de l'enceinte par ces moyens de récupération 169 et circule dans le reste de l'installation comme cela sera décrit ultérieurement.
  • Le fond 156 de la cuve 155 comprend des moyens de récupération 170 du fluide caloporteur, afin que celui-ci passe dans le réservoir 171 en sortant de la cuve 157. Ces moyens de récupération 170 sont par exemple formés par des trous d'écoulement pratiqués dans le fond 156 de la cuve 155 et communiquant entre la cuve 155 et le fond de l'enceinte 150.
  • Le fluide caloporteur récupéré sert notamment à lubrifier au moins un palier à butée lisse 70 de type hydrodynamique par l'intermédiaire duquel l'arbre 159 de la roue à action 158 est monté en rotation sur le fond 156 de la cuve 155. En effet, le palier à butée lisse 172 baigne dans le fluide caloporteur récupéré par les moyens de récupération 173. Un tel palier 172 permet d'assurer la rotation de l'arbre 159 à grande vitesse dans un environnement à haute température avec une durée de vie importante, au contraire des classiques roulements à billes. En outre, l'installation du palier 172 à l'intérieur de l'enceinte 150 permet de ne pas avoir de problème d'étanchéité et d'éviter les fuites de caloporteur qui pourraient être dangereuse. Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 7, le convertisseur 11iii comprend deux paliers à butée lisse 172. Dans le réservoir 171, une pompe de circulation 173 de fluide caloporteur FC (huile), par exemple de type volumétrique est montée sur l'arbre 159 par l'intermédiaire d'un joint homocinétique 174. Cette pompe est reliée à une conduite de sortie 175 reliant l'intérieur de l'enceinte 150 à l'extérieur et permettant de faire circuler le fluide caloporteur vers le reste de l'installation 1. Ainsi, la pompe de circulation 72 est agencée pour aspirer le fluide caloporteur FC du réservoir 171 et pour l'injecter dans la conduite de sortie 175. La pompe de circulation est dépourvue de moteur d'entraînement puisque son actionnement est assuré par la rotation de l'arbre 159 de la roue à action 158 entraîné par le jet injecté par l'injecteur 151.
    • Transformateur énergie mécanigue en énergie électrique : alternateur 12iv
  • Comme montré sur la figure 5, l'arbre 159 de la roue à action 158 sort de l'enceinte 151 par l'intermédiaire d'un piston 184 agencé pour assurer l'étanchéité entre l'intérieur de l'enceinte 151 et l'extérieur de l'enceinte 151, par exemple un piston suédois. L'arbre 159 entraîne en rotation le rotor de l'alternateur 12iv, avantageusement du type à aimant permanent. Cet alternateur 12iv permet de transformer l'énergie cinétique de rotation de l'arbre 159 en énergie électrique. L'alternateur 12iv est refroidi, au niveau de son entrefer, par un ventilateur 180 monté sur son rotor et par une conduite de circulation d'eau, formant la culasse réfrigérante 181, qui gaine son stator. L'eau alimentant la culasse réfrigérante 181 provient d'une source d'alimentation en eau et est amenée à la culasse par une pompe volumétrique 182 actionnée par l'arbre 159 par l'intermédiaire d'un réducteur 183. Ainsi la pompe 108 est dépourvue de moteur d'actionnement. La culasse réfrigérante 181 sert au refroidissement de l'alternateur 12iv et au préchauffage de l'eau, comme décrit précédemment.
    • Condenseur 45
  • Le flux ft de vapeur d'eau collectée par les moyens de récupération 169 prévus dans l'enceinte 151 de la figure 5 est refroidi par un condenseur 45 pour être transformé en un flux ft0 de fluide thermodynamique FT (eau) liquide avant d'être recyclé.
  • Il peut s'agir par exemple de condenseur de type aéroréfrigérant ou d'un échangeur dont le secondaire est alimenté par de l'eau à une température inférieure à 60 °C (rivière, canal, ...).

Claims (10)

  1. Procédé de conversion d'énergie thermique, de préférence de chaleur fatale, contenue dans
    un fluide (FF) au moins en partie gazeux, en énergie mécanique, et, préférentiellement en énergie électrique et/ou en énergie frigorifique;
    ledit procédé mettant en oeuvre au moins un fluide thermodynamique FT et au moins un fluide caloporteur FC, dans lequel :
    I. on met en oeuvre un flux f c0 de fluide FC au moins en partie liquide;
    II. on transfère au flux de l'énergie thermique à convertir issue du fluide FF;
    III. on pulvérise le flux f c0 chauffé en (II) pour générer un flux f c1 fragmenté de fluide FC;
    IV. en parallèle, on met en oeuvre un flux f t0 de fluide FT au moins en partie liquide;
    V. puis on transfère au flux f t0 de fluide FT de l'énergie thermique à convertir issue du fluide FF, pour générer un flux ft, dont la température est supérieure à celle du flux ft0, le fluide FT du flux ft étant:
    i. en phase liquide;
    ii. en phase liquide et en phase vapeur;
    iii. en phase vapeur à saturation;
    iv. ou en phase vapeur surchauffée ;
    VI. au besoin, on chauffe le flux ft, pour le vaporiser de sorte que son titre en vapeur soit supérieur ou égal à 0,9; de préférence à 0,95;
    VII. on injecte le flux ft dans au moins une enceinte recevant également le flux f c1 de fluide FC, pour former un flux mélangé biphasique f c1/t , le rapport Rd du débit massique du fluide FT sur le débit massique total du fluide FC et du fluide FT, étant compris entre 1 et 20%, de préférence entre 3 et 18%, et, plus préférentiellement encore entre 5 et 15 %;
    VIII. ce flux f c1/t est ensuite accéléré et détendu;
    IX. on convertit l'énergie cinétique de ce flux accéléré f c1/t en énergie mécanique; cette dernière étant éventuellement transformée en énergie électrique et/ou en énergie frigorifique;
    X. on sépare, d'une part, le fluide FT et, d'autre part, le fluide FC ;
    XI. on récupère, d'une part, un flux f t00 au moins en partie gazeux du fluide FT et, d'autre part, un flux au moins en partie liquide du fluide FC ;
    XII. on comprime et on augmente la vitesse de circulation du flux f c0 de FC;
    XIII. on condense le flux f t00 au moins en partie gazeux du fluide FT en un flux f t0 au moins en partie liquide du fluide FT;
    XIV. on comprime et on augmente la vitesse de circulation du flux f t0 du fluide FT; le procédé comprend la mise en oeuvre d'au moins une boucle de circulation du fluide FT et d'au moins une boucle de circulation du fluide FC; ces deux boucles ayant en commun:
    i. au moins un Injecteur-Mélangeur-Accélérateur (IMA) dans lequel le flux et le flux f t sont destinés à être injectés/mélangés/accélérés;
    ii. au moins un convertisseur du flux accéléré f c1/t en énergie mécanique;
    iii. éventuellement au moins un transformateur de cette énergie mécanique en énergie électrique et/ou en énergie frigorifique;
    iv. au moins un séparateur du fluide FT et du fluide FC;
    - la boucle de circulation du fluide FT comportant au moins un échangeur thermique entre le fluide FT (étape V, voire VI) et le fluide FF, au moins un condenseur du fluide FT et au moins une pompe de mise en circulation du fluide FT dans cette boucle;
    - la boucle de circulation du fluide FC comportant un échangeur thermique entre le fluide FC (étape II) et le fluide FF et au moins une pompe de mise en circulation du fluide FC dans cette boucle.
  2. Procédé selon l'une au moins des revendications précédentes où lors de l'étape VII, l'injection du flux ft du fluide thermodynamique FT dans une enceinte d'injection de l'IMA se fait à une vitesse comprise entre 40 et 300 m/s, de préférence entre 50 et 150 m/s et, plus préférentiellement encore, entre 60 et 100 m/s.
  3. Procédé selon l'une au moins des revendications précédentes où on fait en sorte que la détente du flux ft dans l'enceinte de l'IMA recevant également le flux fc1 fragmenté de fluide FC, engendre un effet provoqué par un flux moteur à savoir le flux f t du fluide FT, sur un flux aspiré à savoir le flux fc1 du fluide FC.
  4. Procédé selon l'une au moins des revendications précédentes où avant l'étape VIII, le flux ft est soumis, lors d'au moins une étape (VIII°) de pré-accélération par détente, de préférence quasi-isotherme, du flux ft, dans au moins une chambre de profil adapté, de préférence dans une tuyère; cette étape (VIII°) étant avantageusement mise en oeuvre dans la même chambre de profil adapté que celle de l'étape (VIII).
  5. Procédé selon l'une au moins des revendications précédentes où le fluide FT est un liquide aqueux, de préférence choisi dans le groupe comprenant -idéalement constitué par-l'eau, le glycérol et leurs mélanges; et en ce que le fluide FC est choisi parmi les huiles végétales ou minérales, de préférence parmi les huiles non miscibles à l'eau et/ou ayant une température d'apparition d'un vernissage supérieure ou égale à 200° C, de préférence à 300° C, et, plus préférentiellement encore parmi les huiles végétales; le fluide FC étant idéalement choisi dans le groupe comprenant -idéalement composé de- : l'huile de ricin et/ou l'huile d'olive.
  6. Procédé selon l'une au moins des revendications précédentes où le fluide FF présente initialement une température supérieure à 200 °C et préférentiellement supérieure à 300 °C, et/ou est choisi parmi les fluides gazeux et, plus préférentiellement encore, dans le groupe comprenant -idéalement composé de-: l'air chaud, les vapeurs d'eau, les gaz d'échappement de moteurs, les fumées, en particulier les fumées industrielles, et les chaleurs de séchoirs ou parmi les fluides liquides (e.g. comme c'est le cas dans les installations solaires à concentration).
  7. Procédé selon l'une au moins des revendications précédentes comprenant au moins l'une des caractéristiques suivantes :
    C1. une pression de service Pf c0 (en bars) du flux avant la pulvérisation de l'étape III et après la compression du flux f c0 du fluide FC à l'étape XII, est telle que - dans un ordre croissant de préférence- : 3 ≤ Pf c 0 ≤ 30 ; 5 ≤ Pf c 0 ≤ 25 ; 10 ≤ Pf c 0 ≤ 15
    Figure imgb0009
    C2. une pression de service Pf t (en bars) du flux ft avant l'injection lors de l'étape VII et après la compression du flux f t00 du fluide FC à l'étape XIV, est telle que - dans un ordre croissant de préférence- : 3 ≤ Pf t ≤ 30 ; 5 ≤ Pf t ≤ 25 ; 10 ≤ Pf t ≤ 15
    Figure imgb0010
    C3. Pf c0 et Pft sont identiques ou différentes, de préférence identiques;
    C4. une pression Pf c1/t du flux f c1/t après l'étape IX de conversion de l'énergie cinétique en énergie mécanique, en bars et dans un ordre croissant de préférence, est telle :
    Pfc1/t ≤ 2 ; 0,3 ≤ Pfc1/t ≤ 1,5 ; égale ou environ égale à la pression atmosphérique.
  8. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, selon l'une au moins des revendications précédentes qui comprend au moins une boucle de circulation de FT (41 - 47) et au moins
    une boucle de circulation du fluide FC (31 - 34),
    d'au moins une boucle de circulation du fluide FT (41 - 47)
    et d'au moins une boucle de circulation du fluide FC (31 - 34);
    ces deux boucles ayant en commun:
    i. au moins un Injecteur-Mélangeur-Accélérateur "IMA" (10ii) dans lequel le flux et le flux f t sont destinés à être injectés/mélangés/accélérés;
    ii. au moins un convertisseur (11iii) du flux accéléré f c1/t en énergie mécanique;
    iii. éventuellement au moins un transformateur (12iv) de cette énergie mécanique en énergie électrique et/ou en énergie frigorifique;
    iv. au moins un séparateur (13v) du fluide FT et du fluide FC;
    - la boucle de circulation du fluide FT (41 - 47) comportant au moins un échangeur thermique (4i) entre le fluide FT (étape V, voire VI) et le fluide FF, au moins un condenseur (45) du fluide FT et au moins une pompe (47) de mise en circulation du fluide FT dans cette boucle;
    - la boucle de circulation du fluide FC comportant un échangeur thermique (3) entre le fluide FC (étape II) et le fluide FF et au moins une pompe (35vi) de mise en circulation le fluide FC dans cette boucle
  9. Dispositif selon la revendication 8 où l'IMA (10ii) comprend au moins un mélangeur (10M) à buses du flux fc0 fragmenté et du flux ft sous forme de vapeur.
  10. Dispositif selon l'une au moins des revendications 8 ou 9 où le mélangeur (10M) à buses comprend:
    • au moins un fragmenteur du flux fc0 sous forme de gouttelettes, ledit fragmenteur comportant au moins une buse, préférentiellement plusieurs afin de minimiser les pertes de charge sur le flux fc0;
    • au moins une chambre (50) de mélange du flux fc0 après fragmentation et du flux ft sous forme d'eau et/ou de vapeur, cette chambre de mélange convergeant dans le sens des flux du fluide FT et du fluide FC;
    • au moins un conduit (51) d'admission du fluide FT dans la chambre de mélange
    • au moins une canalisation (52) d'admission du fluide FC dans la chambre de mélange où la chambre (50) de mélange comporte une sortie disposée à son point de convergence, cette sortie débouchant dans au moins un conduit (67) d'accélération:
    où le conduit (51)
    d'admission du fluide FT comprend un segment interne et axial par rapport à la chambre (50)
    de mélange, ce segment interne et axial étant muni d'au moins une buse terminale d'éjection du fluide FT, qui comporte un orifice de sortie du fluide FT disposé au voisinage de la partie d'extrémité de plus petite dimension de la chambre de mélange convergente ;
    où la canalisation d'admission du fluide FC communique avec une pluralité de buses (61, 62) d'éjection du fluide FC qui sont réparties sur le pourtour du segment interne et axial d'admission du fluide FT, et qui comporte des orifices de sortie du fluide FC en amont de l'orifice de sortie du fluide FT;
    le segment interne et axial du conduit d'admission du fluide FT étant de préférence équipée d'un organe d'accélération, avantageusement formé par un venturi.
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