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WO2014068214A1 - Procédé et système de conversion d'une énergie thermique en énergie mécanique, notamment pour la conversion de l'énergie thermique des mers - Google Patents

Procédé et système de conversion d'une énergie thermique en énergie mécanique, notamment pour la conversion de l'énergie thermique des mers Download PDF

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WO2014068214A1
WO2014068214A1 PCT/FR2013/052479 FR2013052479W WO2014068214A1 WO 2014068214 A1 WO2014068214 A1 WO 2014068214A1 FR 2013052479 W FR2013052479 W FR 2013052479W WO 2014068214 A1 WO2014068214 A1 WO 2014068214A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fluid
working fluid
turbine
energy
heat
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/FR2013/052479
Other languages
English (en)
Inventor
Claude Mabile
David Teixeira
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles IFPEN filed Critical IFP Energies Nouvelles IFPEN
Publication of WO2014068214A1 publication Critical patent/WO2014068214A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K7/00—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating
    • F01K7/16—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
    • F01K7/22—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type the turbines having inter-stage steam heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/06—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using mixtures of different fluids
    • F01K25/065—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using mixtures of different fluids with an absorption fluid remaining at least partly in the liquid state, e.g. water for ammonia
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the present invention relates to the field of the conversion of thermal energy into mechanical energy, in particular for the conversion of the thermal energy of the sea (ETM).
  • One application of the present invention is in the field of the Thermal Energy of the Seas (ETM or OTEC for Ocean Thermal Energy Conversion) which relates to the use of an energy obtained by taking advantage of the difference in temperature existing in the regions. tropical and subtropical between surface and deep sea waters, in particular of the order of 1000 m. Surface water is used for the hot spring and deep water for the cold source of a motor thermodynamic cycle. Since the temperature difference between the hot source and the cold source is relatively small, the expected energy yields are also low.
  • ETM Thermal Energy of the Seas
  • OTEC Ocean Thermal Energy Conversion
  • Patent application WO 81/002229 A1 describes the use of the Rankine cycle in the case of ⁇ .
  • Hirn cycle a variant of this cycle with overheating (Hirn cycle) is known.
  • the Hirn cycle consists in sufficiently heating the working fluid so that, after the expansion, it is always gaseous. But these plants do not offer maximum optimization in terms of efficiency.
  • thermodynamic cycles have been developed in order to recover this thermal energy.
  • An example of a Uehara cycle is described in FIG.
  • a working fluid composed of ammonia (NH 3 ) and water (H 2 0) is used.
  • the working fluid is partially vaporized in the evaporator (1) by means of the hot seawater source (SC).
  • SC hot seawater source
  • the almost pure vapor NH 3 stream is separated from the liquid in a separation tank (2) and sent to a first turbine (3) which converts thermal energy into mechanical energy.
  • At the outlet of the turbine (3) only part of this flow is sent to a second turbine (5) by means of an extractor (4).
  • the liquid at the outlet of the separation tank (2) is used to heat the liquid mixture coming out of a "rich” pump (14) by means of a heat exchanger (15), and after being relaxed (16), is mixed (6) with almost pure NH 3 vapor flow at the outlet of the second turbine (5).
  • a condenser (9) At the inlet of a condenser (9), the liquid part of the flow is extracted in order to send the condenser (9) only the gaseous part (7).
  • the condenser (9) allows a heat exchange between the gaseous portion of the flow and a source of cold seawater (SF). These two streams are mixed (10) at the outlet of the condenser (9).
  • the flow extracted from the working fluid serves to preheat (12) the liquid at the outlet of the "lean” pump (1 1) before being mixed (13) with this liquid at the inlet of the "rich” pump (14) .
  • the Uehara cycle provides slightly better thermal efficiency than the Rankine cycle but requires a higher calorie intake.
  • the thermal efficiency is the ratio between the net energy generated on the calories supplied to the process by the condenser (9) and the evaporator (1).
  • To calculate the net generated energy is added the mechanical energy at the output of the turbines. At this sum we subtract the energy consumed by the pumps included in the process.
  • the invention relates to a method and a system for converting thermal energy into mechanical energy by means of a thermodynamic cycle which has a high thermal efficiency and which does not require a contribution of calories or too much frigories.
  • the invention uses a thermodynamic cycle for which a working fluid composed of two miscible fluids and having different vaporization temperatures circulates in a closed circuit. In this circuit, all the steam circulates successively in two turbines, the steam being heated before passing into the second turbine.
  • the invention relates to a method for converting thermal energy into mechanical energy, in which a working fluid is circulated in a closed circuit consisting of a first and a second miscible fluid having different vaporization temperatures. For this process, the following steps are carried out:
  • said working fluid comprises ammonia and water.
  • said working fluid comprises between 90 and 98 mol% of ammonia, preferably substantially 95 mol% of ammonia.
  • said heat sources consist of seawater taken at different depths.
  • the second source of heat consists of seawater taken from a depth greater than or substantially equal to 1000m.
  • said heated working fluid is heated in step a) before the separation step.
  • said first heated portion is heated in step a) before at least one of the steps of converting thermal energy into mechanical energy.
  • step d said second portion is cooled with said reformed working fluid.
  • said first portion is relaxed after said second step of transforming the thermal energy into mechanical energy and after said cooling, said second portion is expanded, said second portion is separated into two phases and mixing one of said phases with the first portion.
  • said second portion is expanded, said two portions are mixed and the mixture is separated into two phases: a vapor phase of said first fluid and a liquid phase of said second fluid, only the first fluid being condensed in step f).
  • said first portion is expanded before said mixture of said two portions.
  • said second portion is expanded and said two portions are mixed, said two fluids being condensed in step f).
  • said first portion before the implementation of the condensation is cooled by said first portion after the implementation of the condensation.
  • the invention also relates to a system for converting thermal energy into mechanical energy comprising a closed circuit in which circulates a working fluid. composed of first and second miscible fluids having distinct vaporization temperatures. Said closed circuit comprises consecutively:
  • a first heat exchanger for heating said working fluid by means of a first heat source at a temperature above the vaporization temperature of said first fluid
  • a first turbine for converting the thermal energy contained in said first portion into mechanical energy
  • a second turbine for converting the thermal energy contained in said first portion into mechanical energy
  • means for reforming said working fluid comprising at least a third heat exchanger to condense at least said first portion by a heat exchange with a second source of heat at a temperature below the vaporization temperature of said first fluid and at least one mixer to mix said two portions.
  • said working fluid comprises ammonia and water.
  • said fluid comprises between 90 and 98 mol% of ammonia, preferably substantially 95 mol% of ammonia.
  • said heat sources consist of seawater taken at different depths.
  • said circuit further comprises at least one heating means before said separation tank and / or before the first turbine and / or before said second turbine.
  • said heating means is a heat pump or a solar water heater.
  • said circuit further comprises a fourth heat exchanger disposed after the second heat exchanger, for cooling said second portion by means of said reformed working fluid.
  • said circuit further comprises means for expanding said second portion disposed after said fourth exchanger, separating means (29; 29 ') for separating said second portion into two phases and a mixer (28) for mixing one of said phases with said first portion.
  • the circuit further comprises means for expanding said second portion disposed after said fourth heat exchanger, a second mixer for mixing said two portions and a second separation flask for separating the mixture into a single phase. vapor essentially consisting of said first fluid and a liquid phase comprising at least said second fluid.
  • the circuit further comprises means for expanding the first portion before said second mixer.
  • said system further comprises means for expanding said second portion disposed after said fourth heat exchanger and a second mixer for mixing said two portions.
  • said system further comprises a fifth heat exchanger between said first input portion of said third heat exchanger and said first output portion of said third heat exchanger.
  • FIG. 1, already described, illustrates a thermodynamic cycle according to the prior art.
  • FIG. 1 illustrates the thermodynamic cycle according to the invention.
  • FIG. 3 is a graph showing the evolution of the energy generated and the efficiency as a function of the composition of the working fluid.
  • FIG. 4 is a graph showing the evolution of the energy generated and the efficiency as a function of the inlet pressure of the condenser.
  • FIG. 5 is a graph showing the evolution of the energy generated and the efficiency as a function of the pressure drops.
  • FIG. 6 illustrates an alternative embodiment of the invention.
  • FIG. 7 to 12 illustrate a portion of the cycle according to the invention for different embodiments of the invention.
  • the invention relates to a method and a system for converting thermal energy from heat sources into mechanical energy.
  • the heat sources may consist of seawater taken from different depths: the source warm (for example at 28 ° C) can be taken from the surface of the sea, while the cold source (for example at 4 ⁇ C) can be taken at depths close to or greater than 1000 m.
  • thermodynamic cycle employing a working fluid composed of two miscible fluids in a closed circuit. These two fluids also have the characteristic of having separate vaporization temperatures.
  • the two fluids used may be ammonia (NH 3 ) and water (H 2 0), these two fluids being miscible and the saturated vapor pressure at 26% of the ammonia is 1013 kPa while for water it is of the order of 23 kPa.
  • FIG. 2 The closed circuit used by the method and the system according to the invention is illustrated in FIG. 2.
  • elements similar to the elements used for FIG. 1 have the same reference signs.
  • the working fluid (for example composed of NH 3 and H 2 O) is partially vaporized in a first heat exchanger, said evaporator (1) by means of heat exchange with the hot source (SC).
  • the hot source is at a temperature greater than the vaporization temperature of the first fluid comprising the working fluid but less than the vaporization temperature of the second fluid comprising the working fluid.
  • SC hot water
  • the first portion (for example essentially comprising NH 3 ) in almost pure vapor form is separated from the liquid (second portion) in the separation flask (2), called the “Flash HT” flask. This flow is called the first portion of the working fluid. Then, this first portion is sent to a first turbine (3), called “HT turbine” (HT: high temperature).
  • the first turbine (3) allows the transformation of a portion of the thermal energy contained in the first portion into mechanical energy. This mechanical energy may possibly be converted into electrical energy by means of a generator.
  • the first portion is heated in a second heat exchanger, said "superheater” (17) which allows a heat exchange with the liquid flow leaving the separation tank (2), this flow is called the second portion of the working fluid.
  • the first almost pure portion is then sent to a second turbine (5), called “BT turbine” (BT: low temperature).
  • the second turbine (5) allows the transformation of a portion of the thermal energy contained in the first portion into mechanical energy. This mechanical energy can be eventually converted into energy electric by means of a generator.
  • the "superheater” (17) thus makes it possible to heat up the vapor phase, and thus to bring it energy that will then be partially recovered in the "BT turbine” (5) and with the certainty that at the outlet of this turbine the first portion remains essentially in the vapor phase.
  • the first portion essentially in vapor form is sent into a third heat exchanger, called “condenser” (9) to be liquefied.
  • the condenser (9) allows a heat exchange of the first portion with the cold source (SF).
  • This fluid is at a temperature below the vaporization temperatures of the two fluids comprising the working fluid.
  • a cold source (SF) at a temperature of about 4 ⁇ C is suitable in the case where the first fluid is ammonia and the second fluid is water.
  • the first condensed fluid is then repressurized in a pump (18), called “NH3 pump”, if appropriate.
  • the second portion containing a mixture of the two fluids comprising substantially all of the second fluid is sent to the "superheater” (17) to heat the first portion leaving the first turbine (3).
  • the second portion then passes through a pump, called “rich pump” (20).
  • a valve (19) has been shown to symbolize the pressure drops for this part of the process.
  • the two streams are then mixed in a mixer (21) to reform the working fluid.
  • the resulting stream is then sent to the evaporator (1).
  • the working fluid is composed of 94% of ammonia and 6% of water
  • Table 1 gives the main values at various points of the process: Table 1 - Condition of working fluid during the process
  • the heat exchanges at the condenser (9) and at the evaporator (1) are respectively 62.57 and 65.50 MW.
  • the thermal efficiency of this process calculated for this operating point is 4.48%.
  • the thermal efficiency is the ratio between the net energy generated on the calories supplied to the process by the condenser (9) and the evaporator (1).
  • To calculate the net generated energy is added the mechanical energy at the output of the turbines. At this sum we subtract the energy consumed by the pumps included in the process.
  • the cycle according to the invention is compared with different cycles used in the prior art: it is the Rankine cycle, the Uehara cycle (see FIG. 1) and the Guohai cycle, cycle derived from the cycle. Uehara.
  • the comparison is made keeping the same composition of the working fluid for the three cycles using a mixture: 94 mol% of NH 3 and 6 mol% of H 2 O.
  • the temperatures of the hot and cold water are respectively 28 ° C and 4 ⁇ ⁇ .
  • a difference of 2 ° C is set with the water temperature, on the evaporator side and on the condenser side.
  • Table 3 summarizes the different simulations. For each process, except for the Rankine process, for which this does not make sense, the points of optimized operation were searched for either generated energy or efficiency. Table 3 - Energy comparison of the cycle according to the invention to the cycles of the prior art
  • the method according to the invention allows: > Achieve a maximum thermal efficiency of 4.77% while generating more energy than the Rankine cycle, with the result that evaporator and condenser heat energy exchanges are very close to those of the Rankine cycle.
  • the method according to the invention has numerous optimization parameters of which
  • Figure 3 shows the evolution of energy (Ene) and efficiency (Eff) as a function of the ammonia composition of the working fluid. This graph shows that the lower the percentage of water, the more energy is generated. Beyond 98 mol%, the superheater (17) upstream of the second turbine (5) can no longer function because it no longer brings energy, the liquid flow leaving the separation tank (2) becoming almost no. It is noted that the maximum efficiency is obtained for 95 mol% of NH 3 .
  • the values kept constant are the total flow rate upstream of the evaporator (1): 100 kg / s, the composition of the working fluid 96% by mole of NH 3 and 4% by mole of water, pressure at the outlet of the pumps: 9 bar and outlet pressure of the turbine (5): 5.4 bar.
  • Figure 5 shows the evolution of energy (Ene) and efficiency (Eff) as a function of the pressure drop. The optimum for the energy generated and for the efficiency are reached at the same value of the expansion of the turbine (3): 2.2 bar.
  • the thermal energy can be supplied by at least one heating means (22; 23; 24) disposed in at least one of the following three points: upstream of the separation tank (2), upstream of the first turbine (3) and / or upstream of the second turbine (5).
  • This embodiment variant with the three heating means (22; 23; 24) is illustrated in FIG. 6.
  • the heating means (22; 23; 24) can consist, for example, of a heat pump or a heater. - solar water.
  • the heating means (23) upstream of the first turbine (3) are the most efficient.
  • the heating means (22) upstream of the separation tank (2) are slightly more efficient than the heating means (24) upstream of the second turbine (5).
  • FIGS. 7 to 12 illustrate a part of the cycle according to the invention (downstream of the second turbine (5)) for different embodiments of the invention. These various embodiments make it possible to increase the energy generated and / or the efficiency of the method according to the invention. All these embodiments comprise, in addition to the embodiment of FIG. 2, a regenerator (25), which is a fourth heat exchanger between the fluid leaving the superheater (17) and the reformed working fluid at the outlet of the mixer. (21).
  • the first embodiment of FIGS. 7a) and 7b) comprises the following modifications with respect to the embodiment of FIG. 2:
  • the gas leaving the second turbine (5) is expanded in a gas diffuser (27), which performs a relaxation of the gas.
  • the second outlet portion of the superheater (17) exchanges some of its heat in the regenerator (25) with the reformed working fluid. Its pressure is then lowered into a liquid diffuser (26) which provides a relaxation of the second portion.
  • a separating means (29; 29 ') separates the gas produced during the expansion, which gas is then mixed by means of a mixer (28) with that emerging from the gas diffuser (27). The mixed gas is then introduced into the condenser (9).
  • the separating means (29; 29 ') can be a separating balloon, called balloon “Flash BT" as illustrated in FIG. 7a) or a separator (or splitter) as illustrated in FIG. 7b).
  • a splitter (29 ') is adjustable: it decides the percentage of output flows regardless of their phase while in a flash balloon (29) is separated gas flows of the liquid flow.
  • the stream leaving the flash balloon (29) and going to the cold source (SF) or a mixer is essentially gaseous and, in the case of an NH 3 -H 2 O mixture, consisting essentially of ammonia.
  • the outgoing flow of the splitter (29 ') and redirected via the mixer to the capacitor (SF) is a mixture of H 2 0 and NH 3 .
  • Providing a mixture of H 2 0 and NH 3 at the inlet of the condenser (SF) makes it possible to significantly improve the performance of the cycle. > After a possible repressurization by the pump (19) and the pump (18), the two flows are mixed (21) to be sent to the regenerator (25) and then to the evaporator (1) -
  • the second embodiment of FIG. 8 comprises the following modifications with respect to the embodiment of FIG. 2:
  • the second outlet portion of the superheater (17) exchanges some of its heat in the regenerator (25) with the reformed working fluid. Its pressure is then lowered in a liquid diffuser (26) which performs a relaxation of the liquid. It is then mixed in the mixer (30) to the gas stream from the second turbine (5).
  • FIG. 9 comprises the following modifications with respect to the embodiment of FIG. 2:
  • the second outlet portion of the superheater (17) exchanges some of its heat in the regenerator (25) with the reformed working fluid. Its pressure is then lowered into a liquid diffuser (26). It is then mixed by means of a mixer (30) to the gas stream (first portion) from the second turbine (5).
  • the fourth embodiment of FIG. 10 corresponds to the second embodiment, in which an additional step of expansion of the gas flow (first portion) is carried out at the outlet of the BT pump (5) and before mixing in the mixer (30). ) by means of a gas diffuser (27).
  • the fifth embodiment of FIG. 11, comprises the following modifications with respect to the embodiment of FIG. 2:
  • the second outlet portion of the superheater (17) exchanges some of its heat in the regenerator (25) with the reformed working fluid. Its pressure is then lowered into a liquid diffuser (26). In this case, the diffuser (26) represents the head losses of this portion of the process.
  • the sixth embodiment of FIG. 12 comprises the following modifications with respect to the embodiment of FIG. 2:
  • the gas leaving the second turbine passes into a fifth heat exchanger, called a pre-condenser (32) which carries out a heat exchange of the gas leaving the second turbine (5) with the first portion at the outlet of the condenser (9).
  • the flow at the outlet of the condenser being previously repressurized by the pump (18).
  • the second outlet portion of the superheater (17) exchanges some of its heat in the regenerator (25) with the reformed working fluid. Its pressure is then lowered into a liquid diffuser (26).

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Abstract

L'invention concerne un procédé et un système de conversion d'une énergie thermique (SF, SC) en énergie mécanique au moyen d'un cycle thermodynamique. Pour cela, l'invention utilise un cycle thermodynamique pour lequel un fluide de travail composé de deux fluides miscibles et présentant des températures de vaporisation distinctes circule dans un circuit fermé. Dans ce circuit, la totalité de la vapeur circule successivement dans deux turbines (3, 5), la vapeur étant réchauffée dans un échangeur de chaleur (17) avant de passer dans la deuxième turbine (5).

Description

PROCÉDÉ ET SYSTÈME DE CONVERSION D'UNE ÉNERGIE THERMIQUE EN ÉNERGIE MÉCANIQUE, NOTAMMENT POUR LA CONVERSION DE L'ÉNERGIE THERMIQUE DES
MERS La présente invention concerne le domaine de la conversion d'énergie thermique en énergie mécanique, en particulier pour la conversion de l'énergie thermique des mers (ETM).
Une application de la présente invention se situe dans le domaine de l'Énergie Thermique des Mers (ETM ou OTEC pour Océan Thermal Energy Conversion) qui concerne l'utilisation d'une énergie obtenue en mettant à profit la différence de température existant dans les régions tropicales et subtropicales entre les eaux de mer de surface et les eaux situées en profondeurs, en particulier de l'ordre de 1000 m. Les eaux de surface sont utilisées pour la source chaude et les eaux profondes pour la source froide d'un cycle thermodynamique moteur. La différence de température entre la source chaude et la source froide étant relativement faible, les rendements énergétiques attendus sont eux aussi faibles.
Les centrales ETM conventionnelles fonctionnent généralement selon un cycle de Rankine. La demande de brevet WO 81 /002229 A1 décrit l'utilisation du cycle de Rankine dans le cas de ΙΈΤΜ. Par ailleurs, il est connu une variante de ce cycle avec surchauffe (cycle de Hirn). Le cycle de Hirn consiste à chauffer suffisamment le fluide moteur pour que, après la détente, il soit toujours gazeux. Mais ces centrales ne présentent pas une optimisation maximale en termes d'efficacité.
D'autres cycles thermodynamiques ont été développés dans le but de récupérer cette énergie thermique. Un exemple de cycle d'Uehara est décrit en figure 1 . Pour ce cycle, on utilise un fluide de travail composé d'ammoniac (NH3) et d'eau (H20). Le fluide de travail est partiellement vaporisé dans l'évaporateur (1 ) au moyen de la source d'eau de mer chaude (SC). Le flux de NH3 vapeur presque pur est séparé du liquide dans un ballon de séparation (2) et est envoyé à une première turbine (3) qui convertit l'énergie thermique en énergie mécanique. En sortie de la turbine (3) une partie seulement de ce flux est envoyé à une deuxième turbine (5) au moyen d'un extracteur (4).
Le liquide en sortie du ballon de séparation (2) sert à réchauffer au moyen d'un échangeur de chaleur (15) le mélange liquide qui sort d'une pompe "riche" (14), puis après avoir été détendue (16) il est mélangé (6) au flux de NH3 vapeur presque pur en sortie de la deuxième turbine (5). En entrée d'un condenseur (9) la partie liquide du flux est extraite afin de n'envoyer au condenseur (9) que la partie gazeuse (7). Le condenseur (9) permet un échange de chaleur entre la partie gazeuse du flux et une source d'eau de mer froide (SF). Ces deux flux sont mélangés (10) en sortie du condenseur (9). Le flux extrait du fluide de travail sert à un préchauffage (12) du liquide en sortie de la pompe "pauvre" (1 1 ) avant d'être mélangé (13) avec ce liquide en entrée de la pompe "riche" (14).
La demande de brevet EP 0 649 985 décrit également un cycle d'Uehara.
Le cycle d'Uehara permet d'obtenir une efficacité thermique légèrement meilleure que celle du cycle de Rankine mais nécessite un apport plus important de calories. L'efficacité thermique est le rapport entre l'énergie générée nette sur les calories apportées au procédé par le condenseur (9) et l'évaporateur (1 ). Pour calculer l'énergie générée nette on additionne l'énergie mécanique en sortie des turbines. A cette somme on soustrait l'énergie consommée par les pompes incluses dans le procédé.
L'invention concerne un procédé et un système de conversion d'une énergie thermique en énergie mécanique au moyen d'un cycle thermodynamique qui présente une efficacité thermique élevée et qui ne nécessite pas un apport de calories ou de frigories trop important. Pour cela, l'invention utilise un cycle thermodynamique pour lequel un fluide de travail composé de deux fluides miscibles et présentant des températures de vaporisation distinctes circule dans un circuit fermé. Dans ce circuit, la totalité de la vapeur circule successivement dans deux turbines, la vapeur étant réchauffée avant de passer dans la deuxième turbine.
Le procédé et le système selon l'invention
L'invention concerne un procédé de conversion d'une énergie thermique en énergie mécanique, dans lequel on fait circuler dans un circuit fermé un fluide de travail composé d'un premier et d'un deuxième fluides miscibles possédant des températures de vaporisation distinctes. Pour ce procédé, on réalise les étapes suivantes :
a) on chauffe ledit fluide de travail par un échange thermique avec une première source de chaleur à une température supérieure à la température de vaporisation dudit premier fluide ;
b) on sépare ledit fluide de travail réchauffé en une première portion sous forme vapeur comportant essentiellement ledit premier fluide et une deuxième portion sous forme liquide comportant au moins ledit deuxième fluide ;
c) on transforme une partie de l'énergie thermique contenue dans ladite première portion en énergie mécanique au moyen d'une première turbine ;
d) on chauffe ladite première portion en sortie de ladite première turbine par un échange thermique avec ladite deuxième portion ;
e) on transforme une partie de l'énergie thermique contenue dans ladite première portion réchauffée en énergie mécanique au moyen d'une deuxième turbine ; et f) on reforme ledit fluide de travail par condensation de la vapeur contenue dans au moins ladite première portion au moyen d'une deuxième source de chaleur à une température inférieure à la température de vaporisation dudit premier fluide, et par mélange desdites deux portions.
Selon l'invention, ledit fluide de travail comporte de l'ammoniac et de l'eau.
De préférence, ledit fluide de travail comporte entre 90 et 98% en mole d'ammoniac, de préférence sensiblement 95 % en mole d'ammoniac.
Avantageusement, lesdites sources de chaleur sont constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes.
De manière avantageuse, la deuxième source de chaleur est constituée d'eau de mer prélevée à une profondeur supérieure ou sensiblement égale à 1000m.
Selon une variante de réalisation de l'invention, on chauffe ledit fluide de travail chauffé à l'étape a) avant l'étape de séparation.
Selon une autre variante de réalisation de l'invention, on chauffe ladite première portion chauffée à l'étape a) avant au moins une des étapes de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique.
Selon un mode de réalisation de l'invention, après l'étape d) on refroidit ladite deuxième portion avec ledit fluide de travail reformé.
Selon un mode de réalisation de l'invention, on détend ladite première portion après ladite deuxième étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique et après ledit refroidissement, on détend ladite deuxième portion, on sépare ladite deuxième portion en deux phases et on mélange une desdites phases avec la première portion.
Selon un mode de réalisation de l'invention, après ledit refroidissement, on détend ladite deuxième portion, on mélange lesdites deux portions et on sépare le mélange en deux phases : une phase vapeur dudit premier fluide et une phase liquide dudit deuxième fluide, seul le premier fluide étant condensé à l'étape f).
Selon un mode de réalisation de l'invention, on détend ladite première portion avant ledit mélange desdites deux portions.
Selon un mode de réalisation de l'invention, après ledit refroidissement, on détend ladite deuxième portion et on mélange lesdites deux portions, lesdits deux fluides étant condensés à l'étape f).
Alternativement, ladite première portion avant la mise en œuvre de la condensation est refroidie par ladite première portion après la mise en œuvre de la condensation.
L'invention concerne également un système de conversion d'une énergie thermique en énergie mécanique comportant un circuit fermé dans lequel circule un fluide de travail composé d'un premier et d'un deuxième fluides miscibles possédant des températures de vaporisation distinctes. Ledit circuit fermé comporte consécutivement :
un premier échangeur de chaleur pour chauffer ledit fluide de travail au moyen d'une première source de chaleur à une température supérieure à la température de vaporisation dudit premier fluide,
un ballon de séparation, dans lequel ledit fluide de travail est séparé en une première portion comportant essentiellement ledit premier fluide sous forme vapeur et en une deuxième portion liquide comportant au moins ledit deuxième fluide,
- une première turbine pour convertir l'énergie thermique contenue dans ladite première portion en énergie mécanique,
un deuxième échangeur de chaleur pour chauffer ladite première portion au moyen de ladite deuxième portion,
une deuxième turbine pour convertir l'énergie thermique contenue dans ladite première portion en énergie mécanique,
des moyens pour reformer ledit fluide de travail comportant au moins un troisième échangeur de chaleur pour condenser au moins ladite première portion par un échange thermique avec une deuxième source de chaleur à une température inférieure à la température de vaporisation dudit premier fluide et au moins un mélangeur pour mélanger lesdites deux portions.
Selon l'invention, ledit fluide de travail comporte de l'ammoniac et de l'eau.
De préférence, ledit fluide comporte entre 90 et 98 % en mole d'ammoniac, de préférence sensiblement 95 % en mole d'ammoniac.
Avantageusement, lesdites sources de chaleur sont constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes.
Selon une variante de réalisation de l'invention, ledit circuit comporte en outre au moins un moyen de chauffage avant ledit ballon de séparation et/ou avant la première turbine et/ou avant ladite deuxième turbine.
De manière avantageuse, ledit moyen de chauffage est une pompe à chaleur ou un chauffe-eau solaire.
Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit circuit comprend en outre un quatrième échangeur de chaleur disposé après le deuxième échangeur de chaleur, pour refroidir ladite deuxième portion au moyen dudit fluide de travail reformé.
Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit circuit comprend en outre des moyens de détente de ladite deuxième portion disposés après ledit quatrième échangeur, un moyen de séparation (29 ; 29') pour séparer ladite deuxième portion en deux phases et un mélangeur (28) pour mélanger une desdites phases avec ladite première portion. Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit comprend en outre des moyens de détente de ladite deuxième portion disposés après ledit quatrième échangeur, un deuxième mélangeur pour mélanger lesdites deux portions et un deuxième ballon de séparation pour séparer le mélange en une phase vapeur constituée essentiellement dudit premier fluide et une phase liquide comprenant au moins ledit deuxième fluide.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le circuit comprend en outre des moyens de détente de la première portion avant ledit deuxième mélangeur.
Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit système comprend en outre des moyens de détente de ladite deuxième portion disposés après ledit quatrième échangeur et un deuxième mélangeur pour le mélange desdites deux portions.
Selon un mode de réalisation de l'invention, ledit système comprend en outre un cinquième échangeur de chaleur entre ladite première portion en entrée dudit troisième échangeur de chaleur et ladite première portion en sortie dudit troisième échangeur de chaleur.
Présentation succincte des figures
D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
La figure 1 , déjà décrite, illustre un cycle thermodynamique selon l'art antérieur.
La figure 2 illustre le cycle thermodynamique selon l'invention.
La figure 3 est une courbe montrant l'évolution de l'énergie générée et de l'efficacité en fonction de la composition du fluide de travail.
La figure 4 est une courbe montrant l'évolution de l'énergie générée et de l'efficacité en fonction de la pression en entrée du condenseur.
La figure 5 est une courbe montrant l'évolution de l'énergie générée et de l'efficacité en fonction des pertes de charge.
La figure 6 illustre une variante de réalisation de l'invention.
Les figures 7 à 12 illustrent une portion du cycle selon l'invention pour différents modes de réalisation de l'invention.
Description détaillée de l'invention
L'invention concerne un procédé et un système de conversion d'énergie thermique provenant de sources de chaleur en énergie mécanique. Les sources de chaleur peuvent être par exemple constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes : la source chaude (par exemple à 28 'C) peut être prélevée à la surface de la mer, alors que la source froide (par exemple à 4 <C) peut être prélevée à des profondeurs proches ou supérieures de 1000 m.
Le procédé et le système sont basés sur l'utilisation d'un cycle thermodynamique mettant en œuvre un fluide de travail composé de deux fluides miscibles dans un circuit fermé. Ces deux fluides présentent également la caractéristique de posséder des températures de vaporisation distinctes. Par exemple, les deux fluides utilisés peuvent être de l'ammoniac (NH3) et de l'eau (H20), ces deux fluides étant miscibles et la pression de vapeur saturante à 26^ de l'ammoniac est de 1013 kPa alors que pour l'eau elle est de l'ordre de 23 kPa.
Le circuit fermé utilisé par le procédé et le système selon l'invention est illustré en figure 2. Sur cette figure 2, les éléments similaires aux éléments utilisés pour la figure 1 possèdent les mêmes signes de référence.
Le fluide de travail (par exemple composé de NH3 et H20) est partiellement vaporisé dans un premier échangeur de chaleur, dit évaporateur (1 ) au moyen d'un échange de chaleur avec la source chaude (SC). La source chaude est à une température supérieure à la température de vaporisation du premier fluide composant le fluide de travail mais inférieure à la température de vaporisation du deuxième fluide composant le fluide de travail. Ainsi, dans l'évaporateur (1 ), on vaporise quasiment uniquement le premier fluide. Une source d'eau chaude (SC) à une température d'environ 28 'C est adaptée dans le cas où le premier fluide est de l'ammoniac et le deuxième de l'eau.
La première portion (par exemple comprenant essentiellement du NH3) sous forme vapeur presque pur est séparée du liquide (deuxième portion) dans le ballon de séparation (2), dit ballon "Flash HT". Ce flux est appelé première portion du fluide de travail. Ensuite, cette première portion est envoyée à une première turbine (3), dite "turbine HT" (HT : haute température). La première turbine (3) permet la transformation d'une partie de l'énergie thermique contenue dans la première portion en énergie mécanique. Cette énergie mécanique peut être éventuellement convertie en énergie électrique au moyen d'un générateur.
En sortie de cette première turbine (3), la première portion est réchauffée dans un deuxième échangeur de chaleur, dit "surchauffeur" (17) qui permet un échange de chaleur avec le flux liquide sortant du ballon de séparation (2), ce flux est appelé deuxième portion du fluide de travail. La première portion presque pur est ensuite envoyée à une deuxième turbine (5), dite "turbine BT" (BT : basse température). La deuxième turbine (5) permet la transformation d'une partie de l'énergie thermique contenue dans la première portion en énergie mécanique. Cette énergie mécanique peut être éventuellement convertie en énergie électrique au moyen d'un générateur. Le "surchauffeur" (17) permet donc de réchauffer la phase vapeur, et donc de lui apportée de l'énergie qui sera ensuite partiellement récupérée dans la "turbine BT" (5) et avec la certitude qu'en sortie de cette turbine la première portion reste essentiellement en phase vapeur. Ainsi, on peut réutiliser entièrement le flux de vapeur passant dans la première turbine (3) dans la deuxième turbine (5). Ce qui permet une meilleure efficacité du cycle selon l'invention.
En sortie de la deuxième turbine (5), la première portion essentiellement sous forme vapeur est envoyé dans un troisième échangeur de chaleur, appelé "condenseur" (9) pour être liquéfié. Le condenseur (9) permet un échange de chaleur de la première portion avec la source froide (SF). Ce fluide est à une température inférieure aux températures de vaporisation des deux fluides composant le fluide de travail. Une source froide (SF) à une température d'environ 4 <C est adaptée dans le cas où le premier fluide est de l'ammoniac et le deuxième fluide est de l'eau.
Le premier fluide condensé est ensuite remis en pression dans une pompe (18), dite "pompe NH3", le cas échéant.
En sortie du ballon de séparation (2), la deuxième portion contenant un mélange des deux fluides comportant la quasi-totalité du deuxième fluide est envoyé au "surchauffeur" (17) pour réchauffer la première portion sortant de la première turbine (3). La deuxième portion passe ensuite par une pompe, dite "pompe riche" (20). Sur le schéma, une vanne (19) a été représentée pour symboliser les pertes de charges pour cette partie du procédé.
Les deux flux sont ensuite mélangés dans un mélangeur (21 ) pour reformer le fluide de travail. Le flux résultant est alors envoyé à l'évaporateur (1 ).
Comparaison avec les cycles de l'état de la technique
Afin de montrer les avantages du procédé et du système selon l'invention, différents essais ont été menés. Pour mener ces essais, nous avons pris comme hypothèses :
> les sources de chaleur (SF; SC) sont constituées d'eau de mer, de telle sorte que : o température de l'eau chaude (SC) : 28 °C,
o température de l'eau froide (SF) : 4<C,
> température du fluide de travail en sortie du condenseur (1 ) : +2 °C par rapport à celle de l'eau de mer,
> température du fluide de travail en sortie de l'évaporateur (9) : -2 °C par rapport à celle de l'eau de mer,
> le fluide de travail est composé de 94% d'ammoniac et 6% d'eau,
> les pertes de charge sont représentées par la vanne (19) et la pompe (20) permet de contrecarrer cette perte de charge.
Le tableau 1 donne les valeurs principales en divers points du procédé : Tableau 1 - État du fluide de travail au cours du procédé
Figure imgf000010_0001
Figure imgf000010_0002
Pour cet exemple, le bilan énergétique est donné dans le tableau 2 :
Tableau 2 - Bilan énergétique du procédé selon l'invention
Unité Énergie générée
Turbine HT (3) MW 1 ,61
Turbine BT (5) MW 1 ,35
Total MW 2,96
Énergie consommée
Pompe NH3 (18) MW 0,029
Pompe (20) MW 0,002
Total MW 0,05
Bilan MW 2,93 Les échanges thermiques au condenseur (9) et à l'évaporateur (1 ) sont respectivement de 62,57 et 65,50 MW. En conséquence l'efficacité thermique de ce procédé calculé pour ce point de fonctionnement est de 4,48 %. L'efficacité thermique est le rapport entre l'énergie générée nette sur les calories apportées au procédé par le condenseur (9) et l'évaporateur (1 ). Pour calculer l'énergie générée nette on additionne l'énergie mécanique en sortie des turbines. A cette somme on soustrait l'énergie consommée par les pompes incluses dans le procédé.
Ensuite, on compare le cycle selon l'invention à différents cycles utilisés dans l'art antérieur : il s'agit du cycle de Rankine, du cycle d'Uehara (cf. figure 1 ) et du cycle de Guohai, cycle dérivé du cycle d'Uehara. La comparaison est faite en gardant la même composition du fluide de travail pour les trois cycles utilisant un mélange : 94% en mole de NH3 et 6% en mole d'H20. Les températures de l'eau chaude et froide sont respectivement 28 °C et 4 <Ό. Enfin pour les échangeurs avec l'eau on fixe un écart de 2 °C avec la température de l'eau, en moins coté évaporateur et en plus coté condenseur.
Le tableau 3 résume les différentes simulations. Pour chaque procédé, sauf le procédé de Rankine, pour lequel cela n'a pas de sens, on a recherché les points de fonctionnement optimisé soit en énergie générée, soit en efficacité. Tableau 3 - Comparaison énergétiques du cycle selon l'invention aux cycles de l'art antérieur
Figure imgf000011_0001
On note que le procédé selon l'invention permet : > d'atteindre une efficacité thermique maximale de 4,77 % tout en générant plus d'énergie que le cycle de Rankine avec pour conséquences des échanges d'énergie thermique à l'évaporateur et au condenseur très proches de ceux du cycle de Rankine.
> de générer le maximum d'énergie (3,4 MW) tout en gardant une bonne efficacité thermique (4,09 %). Pour le point de fonctionnement du procédé selon l'invention optimisé en énergie, il est produit deux fois plus d'énergie que le cycle de Rankine.
> d'obtenir un meilleur rapport d'énergie générée par frigories apportées par rapport aux procédés de l'art antérieur. Pour l'énergie thermique des mers (ETM), ce rapport est important car meilleur il est, plus petit sera la taille du condenseur et de la conduite (riser) qui amène l'eau froide et donc plus faibles seront les coûts d'investissements.
Optimisation du procédé selon l'invention :
Le procédé selon l'invention a de nombreux paramètres d'optimisation dont
> la composition du fluide de travail,
> la pression en aval des pompes, et
> la chute de pression dans les turbines. Pour la composition du fluide de travail, nous avons étudié l'influence du pourcentage d'eau dans l'ammoniac à débit total constant.
Pour ces essais, les valeurs maintenues constantes sont le débit total en amont de l'évaporateur (1 ) : 100 kg/s, la pression en aval des pompes (18, 20) : 9 bar et les pertes de charge à la première turbine (3) : 2,5 bar et à la deuxième turbine (5) : 1 ,1 bar.
La figure 3 montre l'évolution de l'énergie (Ene) et de l'efficacité (Eff) en fonction de la composition en ammoniac du fluide de travail. Ce graphique montre que plus le pourcentage d'eau est réduit, plus on génère d'énergie. Au delà de 98 % en mole, le surchauffeur (17) en amont de la deuxième turbine (5) ne peut plus fonctionner car il n'apporte plus d'énergie, le flux liquide en sortie du ballon de séparation (2) devenant quasi nul. On remarque que l'efficacité maximale est obtenue pour 95 % en mole de NH3.
Pour étudier l'influence de la pression en entrée de l'évaporateur (1 ), nous avons étudié l'influence de la pression en sortie des pompes (18, 20).
Pour ces essais, les valeurs maintenues constantes sont le débit total en amont de l'évaporateur (1 ) : 100 kg/s, la composition du fluide de travail : 96 % en mole de NH3 et 4 % en mole d'eau et les pertes de charge à la première turbine (3) : 2,5 bar et à la deuxième turbine (5) : 1 ,1 bar. La figure 4 montre l'évolution de l'énergie (Ene) et de l'efficacité (Eff) en fonction de la pression des pompes. On constate un optimum d'énergie générée à 8,4 bar et d'efficacité thermique à 9,2 bar. Un point de fonctionnement ayant à la fois une efficacité thermique élevée sans trop dégrader l'énergie pourrait être choisi vers 8,8 bar.
Pour la perte de charge dans les turbines, l'étude porte sur les chutes de pression dans les turbines (3, 5). En fait ces chutes de pression sont liées car leur somme doit être égale au gain en pression de la Pompe (18). Aussi il n'est nécessaire que d'étudier l'effet de la détente dans la "Turbine HT" (3).
Pour ces essais, les valeurs maintenues constantes sont le débit total en amont de l'évaporateur (1 ) : 100 kg/s, la composition du fluide de travail 96 % en mole de NH3 et 4 % en mole d'eau, pression en sortie des pompes : 9 bar et pression en sortie de la turbine (5) : 5,4 bar.
La figure 5 montre l'évolution de l'énergie (Ene) et de l'efficacité (Eff) en fonction de la de la chute de pression. L'optimum pour l'énergie générée et pour l'efficacité sont atteints à la même valeur de la détente de la turbine (3) : 2,2 bar.
Variantes de réalisation de l'invention
Selon une première variante de réalisation, on peut apporter des calories en certains points du cycle pour améliorer l'énergie produite ou l'efficacité thermique. On peut apporter l'énergie thermique par au moins un moyen de chauffage (22 ; 23 ; 24) disposé en au moins un des trois points suivants : en amont du ballon de séparation (2), en amont de la première turbine (3) et/ou en amont de la deuxième turbine (5). Cette variante de réalisation avec les trois moyens de chauffage (22 ; 23 ; 24) est illustrée en figure 6. Les moyens de chauffage (22 ; 23 ; 24) peuvent être constituées par exemple d'une pompe à chaleur ou d'un chauffe- eau solaire. Les moyens de chauffage (23) en amont de la première turbine (3) sont les plus efficaces. Toutefois et dans le cas considéré, au delà de 2 MW apportés la température en sortie de la première turbine (5) devient supérieure à la température du fluide sortant du ballon de séparation (2). En outre, les moyens de chauffage (22) en amont du ballon de séparation (2) sont légèrement plus efficaces que les moyens de chauffage (24) en amont de la deuxième turbine (5).
Les figures 7 à 12 illustrent une partie du cycle selon l'invention (en aval de la deuxième turbine (5)) pour différents modes de réalisation de l'invention. Ces différents modes de réalisation permettent d'augmenter l'énergie générée et/ou l'efficacité du procédé selon l'invention. Tous ces modes de réalisation comportent en plus du mode de réalisation de la figure 2, un régénérateur (25), qui est un quatrième échangeur de chaleur entre le fluide en sortie du surchauffeur (17) et le fluide de travail reformé en sortie du mélangeur (21 ). Le premier mode de réalisation des figures 7a) et 7b), comporte les modifications suivantes par rapport au mode de réalisation de la figure 2 :
> Le gaz sortant de la deuxième turbine (5) est détendu dans un diffuseur gazeux (27), qui réalise une détente du gaz.
> La deuxième portion sortant du surchauffeur (17) échange une partie de sa chaleur dans le régénérateur (25) avec le fluide de travail reformé. Sa pression est ensuite baissée dans un diffuseur liquide (26) qui réalise une détente de la deuxième portion. Un moyen de séparation (29 ; 29'), sépare le gaz produit lors de la détente, ce gaz étant alors mélangé au moyen d'un mélangeur (28) avec celui sortant du diffuseur gazeux (27). Le gaz mélangé est ensuite introduit dans le condenseur (9). Le moyen de séparation (29 ; 29') peut être un ballon de séparation, dit ballon "Flash BT" tel qu'illustré en figure 7a) ou un séparateur (ou splitter) tel qu'illustré en figure 7b). Un splitter (29') est réglable : on décide du pourcentage des débits des sorties quelque soit leur phase alors que dans un ballon de flash (29) on sépare les flux gazeux des flux liquide. Ainsi, le flux sortant du ballon de flash (29) et allant vers la source froide (SF) ou un mixer est essentiellement gazeux et, dans le cas d'un mélange NH3-H20, essentiellement constitué d'ammoniac. Dans la deuxième variante, le flux sortant du splitter (29') et redirigé via le mixer vers le condensateur (SF) est un mélange de H20 et NH3. Le fait d'apporter d'amener un mélange d'H20 et NH3 à l'entrée du condenseur (SF) permet d'améliorer de façon importante les performances du cycle. > Après une possible remise en pression par la pompe (19) et la pompe (18), les deux flux sont mélangés (21 ) pour être envoyés au régénérateur (25) puis à l'évaporateur (1 )-
Le deuxième mode de réalisation de la figure 8, comporte les modifications suivantes par rapport au mode de réalisation de la figure 2 :
> La deuxième portion sortant du surchauffeur (17) échange une partie de sa chaleur dans le régénérateur (25) avec le fluide de travail reformé. Sa pression est ensuite baissée dans un diffuseur liquide (26) qui réalise une détente du liquide. Il est alors mélangé dans le mélangeur (30) au flux gazeux en provenance de la deuxième turbine (5).
> Un ballon de séparation (31 ), dit "Flash BT" sépare le liquide du gaz. Seul le gaz est envoyé au condenseur (9). > Après remise en pression par la pompe (19) et la pompe (18) les deux flux sont mélangés au moyen d'un mélangeur (21 ) pour être envoyés au régénérateur (25) puis à l'évaporateur (1 ). Le troisième mode de réalisation de la figure 9, comporte les modifications suivantes par rapport au mode de réalisation de la figure 2 :
> La deuxième portion sortant du surchauffeur (17) échange une partie de sa chaleur dans le régénérateur (25) avec le fluide de travail reformé. Sa pression est ensuite baissée dans un diffuseur liquide (26). Il est alors mélangé au moyen d'un mélangeur (30) au flux gazeux (première portion) en provenance de la deuxième turbine (5).
> Suite au mélange, la totalité du fluide traverse le condenseur (9).
> Après remise en pression par la pompe (18) le flux est envoyé au régénérateur (25) puis à l'évaporateur (1 ). Le quatrième mode de réalisation de la figure 10 correspond au deuxième mode de réalisation, dans lequel on réalise une étape supplémentaire de détente du flux gazeux (première portion) en sortie de la pompe BT (5) et avant le mélange dans le mélangeur (30) au moyen d'un diffuseur gazeux (27). Le cinquième mode de réalisation de la figure 1 1 , comporte les modifications suivantes par rapport au mode de réalisation de la figure 2 :
> La deuxième portion sortant du surchauffeur (17) échange une partie de sa chaleur dans le régénérateur (25) avec le fluide de travail reformé. Sa pression est ensuite baissée dans un diffuseur liquide (26). Le diffuseur (26) représente dans ce cas les pertes de charge de cette portion du procédé.
> Le gaz (première portion) en sortie de la deuxième pompe (5) est envoyé au condenseur (9).
> Après remise en pression par la pompe (19) et la pompe (18), les deux flux sont mélangés au moyen du mélangeur (21 ) pour être envoyés au régénérateur (25) puis à l'évaporateur (1 ).
Le sixième mode de réalisation de la figure 12, comporte les modifications suivantes par rapport au mode de réalisation de la figure 2 :
> Le gaz sortant de la deuxième turbine passe dans un cinquième échangeur de chaleur, appelé pré-condenseur (32) qui réalise un échange de chaleur du gaz en sortie de la deuxième turbine (5) avec la première portion en sortie du condenseur (9). Le flux en sortie du condenseur étant préalablement remis en pression par la pompe (18).
> La deuxième portion sortant du surchauffeur (17) échange une partie de sa chaleur dans le régénérateur (25) avec le fluide de travail reformé. Sa pression est ensuite baissée dans un diffuseur liquide (26).
> Après remise en pression par la pompe (19) et la pompe (18) les deux flux sont mélangés au moyen du mélangeur (21 ) pour être envoyés au régénérateur (25) puis à l'évaporateur (1 ).
La comparaison des différents modes de réalisation pour des conditions de fonctionnement identiques donne les résultats suivants :
Tableau 4 - Comparaison des modes de réalisation de l'invention
Figure imgf000016_0001
Les différents modes de réalisation nécessitent donc un échange de frigories différent, ce qui influe sur l'efficacité du procédé. De plus, la puissance nécessaire pour la pompe (18) varie également d'un mode de réalisation à l'autre. Par ailleurs, on remarque que le mode de réalisation de la figure 12 permet de baisser légèrement la puissance à échanger au condenseur (9) par rapport au mode de réalisation de la figure et donc on peut avantageusement diminuer la taille du condenseur (9).

Claims

Revendications
Procédé de conversion d'une énergie thermique en énergie mécanique, dans lequel on fait circuler dans un circuit fermé un fluide de travail composé d'un premier et d'un deuxième fluides miscibles possédant des températures de vaporisation distinctes, caractérisé en ce qu'on réalise les étapes suivantes :
a) on chauffe ledit fluide de travail par un échange thermique avec une première source de chaleur (SC) à une température supérieure à la température de vaporisation dudit premier fluide ;
b) on sépare ledit fluide de travail réchauffé en une première portion sous forme vapeur comportant essentiellement ledit premier fluide et une deuxième portion sous forme liquide comportant au moins ledit deuxième fluide ;
c) on transforme une partie de l'énergie thermique contenue dans ladite première portion en énergie mécanique au moyen d'une première turbine (3) ;
d) on chauffe ladite première portion en sortie de ladite première turbine (3) par un échange thermique avec ladite deuxième portion ;
e) on transforme une partie de l'énergie thermique contenue dans ladite première portion réchauffée en énergie mécanique au moyen d'une deuxième turbine (5) ; et f) on reforme ledit fluide de travail par condensation de la vapeur contenue dans au moins ladite première portion au moyen d'une deuxième source de chaleur (SF) à une température inférieure à la température de vaporisation dudit premier fluide, et par mélange desdites deux portions.
2) Procédé selon la revendication 1 , dans lequel ledit fluide de travail comporte de l'ammoniac et de l'eau.
3) Procédé selon la revendication 2, dans lequel ledit fluide de travail comporte entre 90 et 98% en mole d'ammoniac, de préférence sensiblement 95 % en mole d'ammoniac.
4) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites sources de chaleur (SF ; SC) sont constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes.
5) Procédé selon la revendication 4, dans lequel la deuxième source de chaleur (SF) est constituée d'eau de mer prélevée à une profondeur supérieure ou sensiblement égale à 1000m.
6) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on chauffe ledit fluide de travail chauffé à l'étape a) avant l'étape de séparation. 7) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on chauffe ladite première portion chauffé à l'étape a) avant au moins une des étapes de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique.
8) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel après l'étape d) on refroidit ladite deuxième portion avec ledit fluide de travail reformé.
9) Procédé selon la revendication 8, dans lequel on détend ladite première portion après ladite deuxième étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique et après ledit refroidissement, on détend ladite deuxième portion, on sépare ladite deuxième portion en deux phases et on mélange une desdites phases avec la première portion. 10) Procédé selon la revendication 8, dans lequel après ledit refroidissement, on détend ladite deuxième portion, on mélange lesdites deux portions et on sépare le mélange en deux phases : une phase vapeur dudit premier fluide et une phase liquide dudit deuxième fluide, seul le premier fluide étant condensé à l'étape f). 1 1 ) Procédé selon la revendication 10, dans lequel on détend ladite première portion avant ledit mélange desdites deux portions.
12) Procédé selon la revendication 8, dans lequel après ledit refroidissement, on détend ladite deuxième portion et on mélange lesdites deux portions, lesdits deux fluides étant condensés à l'étape f).
13) Procédé selon la revendication 8, dans lequel ladite première portion avant la mise en œuvre de la condensation est refroidie par ladite première portion après la mise en œuvre de la condensation.
14) Système de conversion d'une énergie thermique en énergie mécanique comportant un circuit fermé dans lequel circule un fluide de travail composé d'un premier et d'un deuxième fluides miscibles possédant des températures de vaporisation distinctes, caractérisé en ce que ledit circuit fermé comporte consécutivement :
- un premier échangeur de chaleur (1 ) pour chauffer ledit fluide de travail au moyen d'une première source de chaleur (SC) à une température supérieure à la température de vaporisation dudit premier fluide, un ballon de séparation (2), dans lequel ledit fluide de travail est séparé en une première portion comportant essentiellement ledit premier fluide sous forme vapeur et en une deuxième portion liquide comportant au moins ledit deuxième fluide,
- une première turbine (3) pour convertir l'énergie thermique contenue dans ladite première portion en énergie mécanique,
un deuxième échangeur (17) de chaleur pour chauffer ladite première portion au moyen de ladite deuxième portion,
une deuxième turbine (5) pour convertir l'énergie thermique contenue dans ladite première portion en énergie mécanique,
des moyens (9 ; 21 ) pour reformer ledit fluide de travail comportant au moins un troisième échangeur de chaleur (9) pour condenser au moins ladite première portion par un échange thermique avec une deuxième source de chaleur (SF) à une température inférieure à la température de vaporisation dudit premier fluide et au moins un mélangeur (21 ) pour mélanger lesdites deux portions.
15) Système selon la revendication 14, dans lequel ledit fluide de travail comporte de l'ammoniac et de l'eau. 16) Système selon la revendication 15, dans lequel ledit fluide comporte entre 90 et 98 % en mole d'ammoniac, de préférence sensiblement 95 % en mole d'ammoniac.
17) Système selon l'une des revendications 14 à 16, dans lequel lesdites sources de chaleur (SF, SC) sont constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes.
18) Système selon l'une des revendications 14 à 17, dans lequel ledit circuit comporte en outre au moins un moyen de chauffage (22 ; 23 ; 24) avant ledit ballon de séparation (2) et/ou avant la première turbine (3) et/ou avant ladite deuxième turbine (5). 19) Système selon la revendication 18, dans lequel ledit moyen de chauffage (22 ; 23 ; 24) est une pompe à chaleur ou un chauffe-eau solaire.
20) Système selon l'une des revendications 14 à 19, dans lequel ledit circuit comprend en outre un quatrième échangeur de chaleur (25) disposé après le deuxième échangeur de chaleur (17), pour refroidir ladite deuxième portion au moyen dudit fluide de travail reformé. 21 ) Système selon la revendication 20, dans lequel ledit circuit comprend en outre des moyens de détente (26) de ladite deuxième portion disposés après ledit quatrième échangeur (25), un moyen de séparation (29 ; 29') pour séparer ladite deuxième portion en deux phases et un mélangeur (28) pour mélanger une desdites phases avec ladite première portion.
22) Système selon la revendication 20, dans lequel le circuit comprend en outre des moyens de détente (26) de ladite deuxième portion disposés après ledit quatrième échangeur (25), un deuxième mélangeur (30) pour mélanger lesdites deux portions et un deuxième ballon de séparation (31 ) pour séparer le mélange en une phase vapeur constituée essentiellement dudit premier fluide et une phase liquide comprenant au moins ledit deuxième fluide.
23) Système selon la revendication 22, dans lequel le circuit comprend en outre des moyens de détente (27) de la première portion avant ledit deuxième mélangeur (30).
24) Système selon la revendication 20, dans lequel ledit système comprend en outre des moyens de détente (26) de ladite deuxième portion disposés après ledit quatrième échangeur (25) et un deuxième mélangeur (30) pour le mélange desdites deux portions.
25) Système selon la revendication 20, dans lequel ledit système comprend en outre un cinquième échangeur (34) de chaleur entre ladite première portion en entrée dudit troisième échangeur de chaleur (9) et ladite première portion en sortie dudit troisième échangeur de chaleur (9).
PCT/FR2013/052479 2012-10-29 2013-10-17 Procédé et système de conversion d'une énergie thermique en énergie mécanique, notamment pour la conversion de l'énergie thermique des mers Ceased WO2014068214A1 (fr)

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