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WO2014087072A1 - 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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Publication number
WO2014087072A1
WO2014087072A1 PCT/FR2013/052820 FR2013052820W WO2014087072A1 WO 2014087072 A1 WO2014087072 A1 WO 2014087072A1 FR 2013052820 W FR2013052820 W FR 2013052820W WO 2014087072 A1 WO2014087072 A1 WO 2014087072A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pump
working fluid
fluid
turbine
thermal energy
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2013/052820
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 WO2014087072A1 publication Critical patent/WO2014087072A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • 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steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating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. As 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, for example the Kalina, Uehara or Guohai cycles.
  • FIG. 1 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 pump (14) by means of a heat exchanger (15), and after having been expanded (16), it is mixed ( 6) almost pure NH 3 vapor flow at the outlet of the second turbine (5).
  • a condenser (9) the liquid part of the flow is extracted in order to send the condenser (9) only the gaseous part by means of the separation flask (7).
  • the condenser (9) allows a heat exchange between the gaseous part 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 pump (1 1) before being mixed (13) with the liquid inlet 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 energy generated net on the calories brought to the process by 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.
  • Uehara A modified cycle of Uehara is also known, described for example on the website http://www.thermoptim.org/.
  • the Uehara process is slightly modified in that there is no separation of the liquid and the gas entering the condenser (see Figure 2). This separation is only intended to reduce the amount of liquid to cool to condense only the gaseous part and thus partially reduce the size of the exchanger with cold water.
  • the Kalina cycle ( Figure 3) is a simplified version of the Uehara cycle:
  • the gaseous fluid leaving the separation tank (2) is sent to the HT turbine (3) which converts thermal energy into mechanical energy.
  • This gaseous fluid is then mixed with the liquid fluid expanded in (16) at its outlet from the heat exchanger (15). This mixture is then sent to the condenser (9) and then to the pump (14).
  • the Guohai cycle ( Figure 4) differs from the Uehara cycle in the treatment of fluids leaving the regenerator (15) and the heater (12). In the Guohai cycle, these two flows are expanded (16 and 17) and then mixed with the flow leaving the BT turbine (5) in the mixer (6)
  • 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.
  • 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.
  • the steam circulates successively in two turbines of this circuit, and the working fluid is heated upstream of a vapor / liquid separation step.
  • the steam circulates in a turbine of this circuit, and the working fluid is heated upstream of a vapor / liquid separation step.
  • the invention relates to a process for converting a thermal energy into mechanical energy, in which a working fluid composed of a first and a second miscible fluid having heating temperatures is circulated in a closed circuit. separate vaporization.
  • the method comprises the following steps:
  • said working fluid is heated between step a) and step b) by means of at least one heat source (H1).
  • said working fluid can be reformed by performing the following steps:
  • the flow exiting the pump (14) can be heated by circulating the liquid at the outlet of the separation tank (2), called the second portion, into the heat exchanger (15), said second portion then being expanded (16). ) and then mixed (6) with said first portion leaving the step of transforming the thermal energy into mechanical energy.
  • the step of transforming the thermal energy into mechanical energy comprises, in addition, the following steps:
  • said working fluid can be reformed by performing the following steps:
  • the preheated stream is sent to a pump (14).
  • said working fluid can be reformed by performing the following steps:
  • the flow exiting the pump (14) can be heated by circulating the liquid at the outlet of the separation tank (2), called the second portion, into the heat exchanger (15), said second portion then being expanded (16). ) and then mixed (6) with said first portion leaving the step of transforming the thermal energy into mechanical energy.
  • the working fluid may comprise ammonia and water. It may, for example, comprise between 90 and 98 mol% of ammonia, preferably substantially 95 mol% of ammonia.
  • the heat and cold sources may consist of seawater taken at different depths.
  • said first portion can be heated upstream of the step of transforming the thermal energy into mechanical energy by means of at least one heat source (H2).
  • the object of 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 a first and a second miscible fluid having different vaporization temperatures.
  • the closed circuit consecutively comprises:
  • a first heat exchanger (1) for heating said working fluid by means of a heat source (SC) at a temperature above the vaporization temperature of said first fluid
  • a separation flask (2) wherein said working fluid is separated into a first portion essentially comprising said first fluid in vapor form and into a second liquid portion comprising at least said second fluid, - a first turbine (3) for converting the thermal energy contained in said first portion in mechanical energy,
  • means (9; 6) for reforming said working fluid comprising at least a second heat exchanger (9) for condensing at least said first portion by a heat exchange with a cold source (SF) at a temperature below the temperature vaporizing said first fluid and at least one mixer (6) for mixing said two portions.
  • said closed circuit comprises a heat source (H1) between said first heat exchanger (1) and said separation tank (2) for heating said working fluid.
  • the closed circuit comprises, after the first turbine (3), an extractor
  • the closed circuit comprises a heat source (H3) upstream of the second turbine (5), for heating said first portion.
  • the circuit may further comprise:
  • the liquid leaving the separation tank (2) circulates in the heat exchanger (15), and in which the circuit comprises an expander (16) and a mixer (6). to relax and mix said second portion with said first portion exiting the second turbine (5).
  • the fluid may comprise between 90 and 98 mol% of ammonia, preferably substantially 95 mol% of ammonia.
  • Heat and cold sources may consist of seawater taken from different depths.
  • Hot springs (H1, H2 and H3) can be heat pumps.
  • system according to the invention may comprise a heat source (H2) upstream of the first turbine (3) for heating said first portion.
  • H2 heat source
  • FIG. 1, already described, illustrates a thermodynamic cycle of Uehara according to the prior art.
  • FIG. 2 already described, illustrates a thermodynamic cycle of modified Uehara, according to the prior art.
  • FIG. 3 already described, illustrates a thermodynamic cycle of Kalina according to the prior art.
  • FIG. 4 already described, illustrates the thermodynamic cycle of Guohai according to the prior art
  • FIG. 5 illustrates three embodiments of the Uehara thermodynamic cycle according to the invention.
  • FIG. 6 illustrates two embodiments of the Kalina thermodynamic cycle according to the invention.
  • FIG. 7 illustrates three embodiments of the Guohai thermodynamic cycle according to the invention Detailed description 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 for example consist of seawater taken at different depths: the hot source (for example at 28 ' ⁇ ) can be taken from the sea surface, while the cold source (for example at 4 ⁇ ⁇ ) 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.
  • FIGS. 5, 6 and 7 Closed circuit embodiments used by the method and system according to the invention are illustrated in FIGS. 5, 6 and 7.
  • elements similar to the elements used for FIGS. 1 to 4 have the same signs of reference.
  • the process according to the invention comprises at least one modification of the Kalinaa, Uehara or Guohai process by adding heat sources to specific points of the process.
  • H1 hot source
  • H3 hot source
  • the working fluid (NH 3 and H 2 0) 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, for example, seawater at a temperature greater than the vaporization temperature of the first fluid (ammonia) making up the working fluid but less than the vaporization temperature of the second fluid (water) making up the fluid of job.
  • the pressure conditions in the cycle are chosen so that the vaporization temperature of the ammonia corresponds to the above criterion.
  • a source of hot water (SC) at a temperature of about 28 ° C is suitable in the case where the first fluid is ammonia and the second is water.
  • this flow composed of NH 3 vapor and liquid water is heated by means of a first hot source (H1), before being sent into a separation tank (2), said balloon “ Flash HT “.
  • this first portion of the working fluid is heated by means of a second hot source (H2).
  • this first portion heated (according to the second embodiment) or unheated, is sent to a first turbine (3), called “HT turbine” (HT: high temperature).
  • 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 sent to an extractor (4), so as to partially extract a portion of the flow of almost pure NH 3 vapor.
  • the main gaseous stream leaving the extractor (4) is then sent to a second turbine (5), called "BT turbine” (BT: low temperature).
  • BT turbine BT: low temperature
  • the second turbine (5) allows the transformation of a portion of the thermal energy contained in the gaseous portion of the first portion into mechanical energy. This mechanical energy may possibly be converted into electrical energy by means of a generator.
  • the gas portion leaving the extractor (4) is heated by means of a third hot source (H3), before being sent to the second turbine (5).
  • H3 third hot source
  • the first portion essentially in vapor form is sent to 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 source of cold (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 flow from the condenser (9) is sent to a pump (1 1).
  • the liquid leaving the separation tank (2) (called the second portion) is used to heat the liquid mixture that leaves a pump (14) with a heat exchanger (15) called “regenerator”. have been expanded (16) it is mixed by a mixer (6) to the flow of almost pure NH 3 vapor leaving the second turbine (5).
  • the gaseous part extracted partially from the working fluid by means of the extractor (4) serves to preheat (12) the liquid at the outlet of the pump (1 1) before being mixed (13) with this liquid at the inlet of the the pump (14).
  • This flow after having been heated in the heat exchanger (15), reconstitutes the working fluid which is then sent to the evaporator (1).
  • the liquid part of the flow coming out of the mixer (6) can be extracted (as illustrated in FIG. 1) in order to send the condenser (9) only the gaseous part, by means of a separator (7).
  • the non-gaseous part and the flow from the condenser (9) are mixed by a mixer (10) at the outlet of the condenser (9), before being sent to a pump (1 1).
  • the hot springs (H1, H2 and H3) can be heat pumps.
  • the H2 source that heats the almost pure ammonia at the outlet of the flash balloon makes it possible to operate the turbine under better conditions because by heating this gas at By means of the source H2, the pressure at the turbine outlet can be lowered while remaining in ammonia gas.
  • the following powers can be set on the different heat sources H1, H2 and H3:
  • the process according to the invention comprises at least one modification of the Kalina process by adding heat sources at specific points of the process (FIG. 6).
  • the difficulty of improving the Kalina process lies in the fact that this process operates with an ammonia-water mixture and that at the outlet of the evaporator the mixture is not totally vaporized, unlike the Rankine process. Under such conditions to increase the pressure, it is necessary to modify the composition of the working fluid.
  • the hot springs can be heat pumps.
  • the source H1 one can determine the power to bring to this source, seeking to keep the balance of the Kalina cycle process.
  • the gas flow at the outlet of the flash ball HT must remain between 30 and 50% of the flow rate at the inlet of the balloon.
  • the process is no longer balanced and in particular at the regenerator level because the liquid flow leaving the "flash HT" balloon (2) no longer carries enough energy to heat the flow at the outlet of the pump ( 14).
  • the H2 source that heats the almost pure ammonia at the outlet of the "flash HT" balloon (2) makes it possible to operate the turbine under better conditions because by heating this gas using the source H2, the pressure can be lowered by turbine outlet while remaining gaseous ammonia.
  • the following powers can be set on the different heat sources H1 and H2:
  • the process according to the invention comprises at least one modification of the Guohai process by adding heat sources to specific points of the process (FIG. 7).
  • the difficulty of improving the Guohai process lies in the fact that this process operates with an ammonia-water mixture and that at the outlet of the evaporator the mixture is not completely vaporized, unlike the Rankine process. Under such conditions to increase the pressure, it is necessary to modify the composition of the working fluid.
  • the hot springs (H1, H2 and H3) can be heat pumps.
  • the following powers can be set on the different heat sources H1, H2 and H3:
  • o evaporator outlet temperature 26 ° C
  • the working fluid consists of 97% mole ammonia and 3% mole water for all cycles.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

- 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'ammoniac (NH3) et d'eau (H2O). - On chauffe le fluide de travail par un échange thermique avec une première source de chaleur à une température supérieure à la température de vaporisation de NH3, et on sépare le NH3 sous forme vapeur (première portion) d'une deuxième portion sous forme liquide. On transforme une partie de l'énergie thermique contenue dans cette première portion en énergie mécanique au moyen d'une turbine. On reforme le fluide de travail par condensation au moyen d'une source de frigories. Le procédé se caractérise en ce que l'on chauffe le fluide de travail en amont de l'étape de séparation au moyen d'au moins une source de chaleur.

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 de froid d'un cycle thermodynamique moteur. La différence de température entre la source chaude et la source de froid 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 terme d'efficacité.
D'autres cycles thermodynamiques ont été développés dans le but de récupérer cette énergie thermique par exemple les cycles de Kalina, d'Uehara ou de Guohai.
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 (14), puis après avoir été détendu (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 au moyen du ballon de séparation (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 (1 1 ) avant d'être mélangé (13) avec ce liquide en entrée de la pompe (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 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.
On connaît également un cycle modifié d'Uehara, décrit par exemple sur le site internet http://www.thermoptim.org/. Le procédé d'Uehara est légèrement modifié en ce qu'il n'y a pas de séparation du liquide et du gaz en entrée du condenseur (voir figure 2). Cette séparation n'a comme objet que de réduire la quantité de liquide à refroidir pour ne condenser que la partie gazeuse et donc réduire partiellement la taille de l'échangeur avec l'eau froide.
Le cycle de Kalina (figure 3) est une version simplifiée du cycle d'Uehara: Le fluide gazeux sortant du ballon de séparation (2) est envoyé à la turbine HT (3) qui convertit l'énergie thermique en énergie mécanique. Ce fluide gazeux est ensuite mélangé au fluide liquide détendu en (16) à sa sortie de l'échangeur de chaleur (15). Ce mélange est alors envoyé au condenseur (9) puis à la pompe (14).
Le cycle de Guohai (figure 4) diffère du cycle d'Uehara par le traitement subit par les fluides sortant du régénérateur (15) et du réchauffeur (12). Dans le cycle de Guohai, ces deux flux sont détendus (16 et 17) puis mélangé au flux sortant de la turbine BT (5) dans le mélangeur (6)
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. 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. Suivant une réalisation de l'invention, la vapeur circule successivement dans deux turbines de ce circuit, et on chauffe le fluide de travail en amont d'une étape de séparation vapeur/liquide. Suivant une autre réalisation de l'invention, la vapeur circule dans une turbine de ce circuit, et on chauffe le fluide de travail en amont d'une étape de séparation vapeur/liquide.. Le procédé et le système selon l'invention
De façon générale, 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. Le procédé comporte les étapes suivantes :
a) on chauffe ledit fluide de travail par un échange thermique avec une 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'au moins une première turbine (3) ;
d) on reforme ledit fluide de travail par condensation de la vapeur contenue dans au moins ladite première portion au moyen d'une source de froid (SF) à une température inférieure à la température de vaporisation dudit premier fluide, et par mélange desdites deux portions.
Selon l'invention, on chauffe ledit fluide de travail entre l'étape a) et l'étape b) au moyen d'au moins une source de chaleur (H1 ).
Selon l'invention, on peut reformer ledit fluide de travail en réalisant les étapes suivantes :
on envoie le flux issu d'un condenseur (9) vers une pompe (14) ;
- on réchauffe le flux sortant de la pompe (14) au moyen d'un échangeur de chaleur (15).
On peut réchauffer le flux sortant de la pompe (14) en faisant circuler le liquide en sortie du ballon de séparation (2), appelé deuxième portion, dans l'échangeur de chaleur (15), cette dite deuxième portion étant ensuite détendue (16) puis mélangée (6) à ladite première portion sortant de l'étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique.
Selon un mode de réalisation, l'étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique comporte en sus les étapes suivantes :
c') en sortie de la première turbine (3), on extrait de ladite première portion une partie gazeuse d'une partie liquide au moyen d'un extracteur (4) ;
c") on transforme une partie de l'énergie thermique contenue dans ladite partie gazeuse en énergie mécanique au moyen d'une deuxième turbine (5) ; et on chauffe ladite première portion en amont d'au moins une des étapes de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique au moyen d'au moins une source de chaleur (H2, H3).
Selon ce mode de réalisation, on peut reformer ledit fluide de travail en réalisant les étapes suivantes :
on envoie le flux issu d'un condenseur (9) vers une pompe (1 1 ) ;
- on préchauffe le flux sortant de la pompe (1 1 ) au moyen d'un échangeur (12) ;
- on envoie le flux préchauffé vers une pompe (14) ; et
- on réchauffe le flux sortant de la pompe (14) au moyen d'un échangeur de chaleur (15).
Selon ce mode de réalisation, on peut préchauffer le flux sortant de la pompe (1 1 ) en faisant circuler dans l'échangeur (12) la partie liquide extraite de ladite première portion au moyen de l'extracteur (4), cette partie liquide étant ensuite mélangée (13) au flux préchauffé (12) entrant dans la pompe (14).
Selon un mode de réalisation :
- on extrait une partie liquide de ladite première portion (7) ;
- on condense au niveau du condenseur (9) uniquement la partie gazeuse de ladite première portion ;
- on mélange (10) la partie non gazeuse et le flux issu du condenseur (9).
Selon l'invention, on peut reformer ledit fluide de travail en réalisant les étapes suivantes :
on envoie le flux issu d'un condenseur (9) vers une pompe (14) ;
- on préchauffe le flux sortant de la pompe (14) au moyen d'un échangeur (12) ;
- on réchauffe à nouveau le flux sortant de l'échangeur (12) au moyen d'un échangeur de chaleur (15).
On peut réchauffer le flux sortant de la pompe (14) en faisant circuler le liquide en sortie du ballon de séparation (2), appelé deuxième portion, dans l'échangeur de chaleur (15), cette dite deuxième portion étant ensuite détendue (16) puis mélangée (6) à ladite première portion sortant de l'étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique.
On peut réchauffer le flux sortant de la pompe (1 1 ) au moyen d'un échangeur de chaleur (12), en faisant circuler la partie liquide extraite de ladite première portion au moyen de l'extracteur (4), cette partie liquide étant ensuite mélangée (13) au flux sortant de la pompe (1 1 ). Selon l'invention, le fluide de travail peut comporter de l'ammoniac et de l'eau. Il peut par exemple, comporter entre 90 et 98% en mole d'ammoniac, de préférence sensiblement 95 % en mole d'ammoniac.
Selon l'invention, les sources de chaleur et de froid (SF ; SC) peuvent être constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes.
Selon l'invention, on peut chauffer ladite première portion en amont de l'étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique au moyen d'au moins une source de chaleur (H2).
L'objet de 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. Le circuit fermé comporte consécutivement :
un premier échangeur de chaleur (1 ) pour chauffer ledit fluide de travail au moyen d'une 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,
des moyens (9 ; 6) pour reformer ledit fluide de travail comportant au moins un second échangeur de chaleur (9) pour condenser au moins ladite première portion par un échange thermique avec une source de froid (SF) à une température inférieure à la température de vaporisation dudit premier fluide et au moins un mélangeur (6) pour mélanger lesdites deux portions.
Selon l'invention, ledit circuit fermé comporte une source de chaleur (H1 ) entre ledit premier échangeur de chaleur (1 ) et ledit ballon de séparation (2) pour chauffer ledit fluide de travail.
Selon l'invention, le circuit fermé comporte, après la première turbine (3), un extracteur
(4) pour extraire de ladite première portion une partie gazeuse d'une partie liquide, et une deuxième turbine (5) pour convertir l'énergie thermique contenue dans ladite partie gazeuse en énergie mécanique.
Selon un mode de réalisation, le circuit fermé comporte une source de chaleur (H3) en amont de la deuxième turbine (5), pour chauffer ladite première portion. Le circuit peut comporter en outre :
- une pompe (1 1 ) dans laquelle est envoyé le flux issu du condenseur (9);
- un échangeur (12) pour préchauffer le flux sortant de la pompe (1 1 ) ;
- une pompe (14) dans laquelle est envoyé le flux préchauffé ; et
- un échangeur de chaleur (15) pour réchauffer le flux sortant de la pompe (14) ;
Selon un mode de réalisation, le liquide en sortie du ballon de séparation (2), appelé deuxième portion, circule dans l'échangeur de chaleur (15), et dans lequel le circuit comporte un détendeur (16) et un mélangeur (6) pour détendre et mélanger ladite deuxième portion à ladite première portion sortant de la deuxième turbine (5).
Le fluide peut comporter entre 90 et 98 % en mole d'ammoniac, de préférence sensiblement 95 % en mole d'ammoniac.
Les sources de chaleur et de froid (SF, SC) peuvent être constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes.
Les sources chaudes (H1 , H2 et H3) peuvent être des pompes à chaleur.
Enfin, le système selon l'invention peut comprendre une source de chaleur (H2) en amont de la première turbine (3) pour chauffer ladite première portion.
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 d'Uehara selon l'art antérieur.
- La figure 2, déjà décrite, illustre un cycle thermodynamique d'Uehara modifié,selon l'art antérieur.
- La figure 3, déjà décrite, illustre un cycle thermodynamique de Kalina selon l'art antérieur.
- La figure 4, déjà décrite, illustre le cycle thermodynamique de Guohai selon l'art antérieure
La figure 5 illustre trois modes de réalisation du cycle thermodynamique d'Uehara selon l'invention.
- La figure 6 illustre deux modes de réalisation du cycle thermodynamique de Kalina selon l'invention.
- La figure 7 illustre trois modes de réalisation du cycle thermodynamique de Guohai selon 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 'Ό) peut être prélevée à la surface de la mer, alors que la source de froid (par exemple à 4 <Ό) 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.
Des modes de réalisation de circuits fermés utilisés par le procédé et le système selon l'invention sont illustrés sur les figures 5, 6 et 7. Sur ces figures, les éléments similaires aux éléments utilisés pour les figures 1 à 4 possèdent les mêmes signes de référence.
Le procédé selon l'invention comporte au moins une modification du procédé de Kalinaa, d'Uehara ou de Guohai en ajoutant des sources de chaleur en des points spécifiques du procédé.
Premier mode de réalisation : Améliorations du cycle d'Uehara selon l'invention.
Pour qu'un apport de chaleur supplémentaire apporte un gain en énergie produite, il faut pouvoir augmenter la pression en amont de la turbine HT. La difficulté d'amélioration du procédé d'Uehara tient au fait que ce procédé fonctionne avec un mélange Ammoniac-Eau et qu'en sortie de l'évaporateur le mélange n'est pas totalement vaporisé contrairement au procédé de Rankine. Dans de telles conditions pour augmenter la pression, il faut modifier la composition du fluide de travail.
Différents modes de réalisation sont envisagés :
1 . Un premier mode dans lequel on ajoute une source chaude (H1 ) en amont du ballon de flash HT.
2. Un second mode dans lequel on ajoute une source chaude (H1 ) en amont du ballon de flash HT et une source chaude (H2) en amont de la turbine HT ;
3. Un troisième mode dans lequel on ajoute une source chaude (H1 ) en amont du ballon de flash HT et une source chaude (H3) en amont de la turbine BT. On peut aussi envisager un autre mode de réalisation dans lequel on ajoute les trois sources chaudes H1 , H2 et H3.
Le procédé est décrit selon un exemple où le fluide de travail est composé d'ammoniac (NH3) et d'eau (H20), et en se référant à la figure 5.
Le fluide de travail (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 de l'eau de mer par exemple, à une température supérieure à la température de vaporisation du premier fluide (ammoniac) composant le fluide de travail mais inférieure à la température de vaporisation du deuxième fluide (eau) composant le fluide de travail. Les conditions de pression dans le cycle sont choisies pour que la température de vaporisation de l'ammoniac corresponde bien au critère ci-dessus. Ainsi, dans l'évaporateur (1 ), on vaporise quasiment uniquement l'ammoniac. 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.
Selon un premier mode de réalisation, ce flux composé de NH3 vapeur et d'eau liquide est chauffé au moyen d'une première source chaude (H1 ), avant d'être envoyé dans un ballon de séparation (2), dit ballon "Flash HT".
Au sein de ce ballon de séparation (2), une première portion comprenant essentiellement du NH3 sous forme vapeur presque pure, chauffée selon le premier mode de réalisation, est séparée du liquide (deuxième portion).
Selon un second mode de réalisation, cette première portion du fluide de travail est chauffée au moyen d'une seconde source chaude (H2).
Ensuite, cette première portion, chauffée (selon le second mode de réalisation) ou non chauffée, 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 la turbine (3), la première portion est envoyée vers un extracteur (4), de façon à extraire partiellement une partie du flux de NH3 vapeur presque pur.
Le flux principal gazeux sorti de l'extracteur (4) est ensuite envoyé 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 partie gazeuse de la première portion en énergie mécanique. Cette énergie mécanique peut être éventuellement convertie en énergie électrique au moyen d'un générateur. Selon un troisième mode de réalisation, la partie gazeuse sortie de l'extracteur (4) est chauffée au moyen d'une troisième source chaude (H3), avant d'être envoyée à la deuxième turbine (5).
En sortie de la deuxième turbine (5), la première portion essentiellement sous forme vapeur est envoyée dans un troisième échangeur de chaleur, appelé "condenseur" (9) pour être liquéfiée. Le condenseur (9) permet un échange de chaleur de la première portion avec la source de froid (SF). Ce fluide est à une température inférieure aux températures de vaporisation des deux fluides composant le fluide de travail. Une source de froid (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 flux issu du condenseur (9) est envoyé vers une pompe (1 1 ).
Le liquide en sortie du ballon de séparation (2), (appelé deuxième portion) sert à réchauffer au moyen d'un échangeur de chaleur (15) appelé "régénérateur" le mélange liquide qui sort d'une pompe (14), puis après avoir été détendu (16) il est mélangé par un mélangeur (6) au flux de NH3 vapeur presque pur en sortie de la deuxième turbine (5).
La partie gazeuse extraite partiellement du fluide de travail au moyen de l'extracteur (4) sert à un préchauffage (12) du liquide en sortie de la pompe (1 1 ) avant d'être mélangé (13) avec ce liquide en entrée de la pompe (14). Ce flux, après avoir été réchauffé dans l'échangeur de chaleur (15), reconstitue le fluide de travail qui est alors envoyé à l'évaporateur (1 ).
Avant d'être envoyé dans le condenseur (9) la partie liquide du flux sortant du mélangeur (6) peut être extraite (comme illustré figure 1 ) afin de n'envoyer au condenseur (9) que la partie gazeuse, au moyen d'un séparateur (7). Dans ce cas, la partie non gazeuse et le flux issu du condenseur (9) sont mélangés par un mélangeur (10) en sortie du condenseur (9), avant d'être envoyés vers une pompe (1 1 ).
Selon l'invention, les sources chaudes (H1 , H2 et H3) peuvent être des pompes à chaleur.
Pour la source H1 , on peut déterminer la puissance à apporter à cette source, en cherchant à garder l'équilibre du procédé du cycle de Uehara. En effet pour que ce cycle reste équilibré il faut que le flux gazeux en sortie du ballon de flash HT reste entre 30 et 50% du débit en entrée du ballon. Au-delà, le procédé n'est plus équilibré et en particulier au niveau du régénérateur car le flux liquide (deuxième portion) sortant du ballon de "flash HT" (2) ne véhicule plus assez d'énergie pour réchauffer le flux en sortie de la pompe (14). Par exemple et suivant une réalisation de l'invention, avec 3 MW apporté par la source H1 , on trouve un flux de 17 % (contre 38 % dans le procédé original).
La source H2 qui réchauffe l'ammoniac presque pur en sortie du ballon de flash permet de faire fonctionner la turbine dans de meilleures conditions car en réchauffant ce gaz au moyen de la source H2, on peut baisser la pression en sortie de turbine tout en restant en ammoniac gazeux.
En amont de la turbine BT l'ammoniac est presque pur. En réchauffant ce gaz au moyen de la source H3, on fait fonctionner la turbine dans de meilleures conditions ce qui permet de baisser la pression en sortie de turbine tout en restant en ammoniac gazeux.
A titre d'exemple, on peut fixer les puissances suivantes sur les différentes sources de chaleur H1 , H2 et H3 :
- H1 : 3 MW
- H2 : 1 MW
- H3 : 1 .75 MW
Second mode de réalisation : Améliorations du cycle de Kalina selon l'invention.
Le procédé selon l'invention comporte au moins une modification du procédé de Kalina en ajoutant des sources de chaleur en des points spécifiques du procédé (figure 6).
Pour qu'un apport de chaleur supplémentaire apporte un gain en énergie produite, il faut pouvoir augmenter la pression en amont de la turbine HT. La difficulté d'amélioration du procédé de Kalina tient au fait que ce procédé fonctionne avec un mélange Ammoniac-Eau et qu'en sortie de l'évaporateur le mélange n'est pas totalement vaporisé contrairement au procédé de Rankine. Dans de telles conditions pour augmenter la pression, il faut modifier la composition du fluide de travail.
Différents modes de réalisation sont envisagés :
1 . Un premier mode dans lequel on ajoute une source chaude (H1 ) en amont du ballon de flash HT.
2. Un second mode dans lequel on ajoute une source chaude (H1 ) en amont du ballon de flash HT et une source chaude (H2) en amont de la turbine HT.
Selon l'invention, les sources chaudes (H1 et H2) peuvent être des pompes à chaleur. Pour la source H1 , on peut déterminer la puissance à apporter à cette source, en cherchant à garder l'équilibre du procédé du cycle de Kalina. En effet pour que ce cycle reste équilibré il faut que le flux gazeux en sortie du ballon de flash HT reste entre 30 et 50% du débit en entrée du ballon. Au-delà, le procédé n'est plus équilibré et en particulier au niveau du régénérateur car le flux liquide sortant du ballon de "flash HT" (2) ne véhicule plus assez d'énergie pour réchauffer le flux en sortie de la pompe (14). Par exemple et suivant une réalisation de l'invention, avec 3 MW apporté par la source H1 , on trouve un flux de 60% (contre 63 % dans le procédé original). La source H2 qui réchauffe l'ammoniac presque pur en sortie du ballon de "flash HT" (2) permet de faire fonctionner la turbine dans de meilleures conditions car en réchauffant ce gaz au moyen de la source H2, on peut baisser la pression en sortie de turbine tout en restant en ammoniac gazeux.
A titre d'exemple, on peut fixer les puissances suivantes sur les différentes sources de chaleur H1 et H2 :
- H1 : 3 MW
- H2 : 1 MW Troisième mode de réalisation : Amélioration du cycle de Guohai selon l'invention.
Le procédé selon l'invention comporte au moins une modification du procédé de Guohai en ajoutant des sources de chaleur en des points spécifiques du procédé (figure 7).
Pour qu'un apport de chaleur supplémentaire apporte un gain en énergie produite, il faut pouvoir augmenter la pression en amont de la turbine HT. La difficulté d'amélioration du procédé Guohai tient au fait que ce procédé fonctionne avec un mélange Ammoniac-Eau et qu'en sortie de l'évaporateur le mélange n'est pas totalement vaporisé contrairement au procédé de Rankine. Dans de telles conditions pour augmenter la pression, il faut modifier la composition du fluide de travail.
Différents modes de réalisation sont envisagés :
1 . Un premier mode dans lequel on ajoute une source chaude (H1 ) en amont du ballon de flash HT ;
2. Un second mode dans lequel on ajoute une source chaude (H1 ) en amont du ballon de flash HT et une source chaude (H2) en amont de la turbine HT ;
3. Un troisième mode dans lequel on ajoute une source chaude (H1 ) en amont du ballon de flash HT et une source chaude (H3) en amont de la turbine BT.
Selon l'invention, les sources chaudes (H1 , H2 et H3) peuvent être des pompes à chaleur.
Pour la source H1 , on peut déterminer la puissance à apporter à cette source, en cherchant à garder l'équilibre du procédé du cycle de Guohai. En effet pour que ce cycle reste équilibré il faut que le flux gazeux en sortie du ballon de flash HT reste entre 30 et 50% du débit en entrée du ballon. Au-delà, le procédé n'est plus équilibré et en particulier au niveau du régénérateur car le flux liquide sortant du ballon de "flash HT" (2) ne véhicule plus assez d'énergie pour réchauffer le flux en sortie de la pompe (14). Par exemple et suivant une réalisation de l'invention, avec 3 MW apporté par la source H1 , on trouve un flux de 27 % (contre 31 % dans le procédé original). La source H2 qui réchauffe l'ammoniac presque pur en sortie du ballon de flash permet de faire fonctionner la turbine dans de meilleures conditions car en réchauffant ce gaz au moyen de la source H2, on peut baisser la pression en sortie de turbine tout en restant en ammoniac gazeux.
En amont de la turbine BT l'ammoniac est presque pur. En réchauffant ce gaz au moyen de la source H3, on fait fonctionner la turbine dans de meilleures conditions ce qui permet de baisser la pression en sortie de turbine tout en restant en ammoniac gazeux.
A titre d'exemple, on peut fixer les puissances suivantes sur les différentes sources de chaleur H1 , H2 et H3 :
- H1 : 3 MW
- H2 : 1 MW
- H3 : 1 .75 MW
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 chaque cycle on cherché les points de fonctionnement pour la fourniture d'énergie maximale, et les points de fonctionnement en efficacité thermique maximale. Ces cycles dit optimisés, sont comparés aux cycles selon l'invention. Pour mener ces essais, nous avons pris comme hypothèses :
> les sources de chaleur/froid (SF; SC) sont constituées d'eau de mer, de telle sorte que :
o température de l'eau chaude en entrée de l'évaporateur (SC) : 28 'C, o température en sortie de l'évaporateur : 26 °C
o température de l'eau froide en entrée du condenseur (SF) : 4<C,
o température en sortie du condenseur : 6°C
> Le fluide de travail est composé de 97% d'ammoniac en mole et 3% d'eau en mole pour tous les cycles.
> débit total du mélange ammoniac plus eau est de 100 kg/s
Figure imgf000015_0001
Figure imgf000015_0002
L'apport de 5.75 MW par les différentes sources H1 , H2 et H3 permet d'améliorer l'efficacité thermique. Par exemple elle passe de 3.93% pour le procédé d'Uehara (avec des paramètres optimisés) à 5.42%. Cet apport permet aussi d'augmenter la production d'énergie qui passe de 2.6 MW à 3.6 MW soit 1 MW en plus.
Des simulations de pompes à chaleur ont été effectuées avec comme base la même température pour l'eau chaude (28 'Ό). Le fluide de travail de ces pompes est l'ammoniac. On obtient pour la puissance nécessaire au compresseur :
- H1 : 0.025 MW
- H2 : 0.019 MW
- H3 : 0.050 MW
Soit 0.094 MW que l'on arrondit à 0.1 MW. Le bilan total est donc un gain en énergie produite de 0.9 MW et au final 3.5 MW sont générés. L'énergie maximale générée est obtenue avec le cycle de Kalina amélioré selon l'invention. La meilleure efficacité thermique est obtenue avec le cycle d'Uehara amélioré suivant l'invention.
Avantages
L'étude menée ci-dessus montre que pour les procédés Ammoniac-Eau de Kalina, d'Uehara et de Guohai, cet apport de chaleur permet d'améliorer à la fois l'efficacité thermique et la quantité d'énergie électrique produite par rapport au procédé de Rankine.

Claims

REVENDICATIONS
1 ) 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, dans lequel :
a) on chauffe ledit fluide de travail par un échange thermique avec une 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'au moins une première turbine (3) ;
d) on reforme ledit fluide de travail par condensation de la vapeur contenue dans au moins ladite première portion au moyen d'une source de froid (SF) à une température inférieure à la température de vaporisation dudit premier fluide, et par mélange desdites deux portions ;
caractérisé en ce que l'on chauffe ledit fluide de travail entre l'étape a) et l'étape b) au moyen d'au moins une source de chaleur (H1 ).
2) Procédé selon la revendication 1 , dans lequel on reforme ledit fluide de travail en réalisant les étapes suivantes :
on envoie le flux issu d'un condenseur (9) vers une pompe (14) ;
- on réchauffe le flux sortant de la pompe (14) au moyen d'un échangeur de chaleur (15).
3) Procédé selon la revendication 2, dans lequel on réchauffe le flux sortant de la pompe (14) en faisant circuler le liquide en sortie du ballon de séparation (2), appelé deuxième portion, dans l'échangeur de chaleur (15), cette dite deuxième portion étant ensuite détendue (16) puis mélangée (6) à ladite première portion sortant de l'étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique.
4) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique comporte en sus les étapes suivantes :
c') en sortie de la première turbine (3), on extrait de ladite première portion une partie gazeuse d'une partie liquide au moyen d'un extracteur (4) ; c") on transforme une partie de l'énergie thermique contenue dans ladite partie gazeuse en énergie mécanique au moyen d'une deuxième turbine (5) ; et on chauffe ladite première portion en amont d'au moins une des étapes de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique au moyen d'au moins une source de chaleur (H2, H3).
5) Procédé selon la revendication 4, dans lequel on reforme ledit fluide de travail en réalisant les étapes suivantes :
on envoie le flux issu d'un condenseur (9) vers une pompe (1 1 ) ;
- on préchauffe le flux sortant de la pompe (1 1 ) au moyen d'un échangeur (12) ;
- on envoie le flux préchauffé vers une pompe (14) ; et
- on réchauffe le flux sortant de la pompe (14) au moyen d'un échangeur de chaleur (15).
6) Procédé selon la revendication 5, dans lequel on préchauffe le flux sortant de la pompe (1 1 ) en faisant circuler dans l'échangeur (12) la partie liquide extraite de ladite première portion au moyen de l'extracteur (4), cette partie liquide étant ensuite mélangée (13) au flux préchauffé (12) entrant dans la pompe (14).
7) Procédé selon l'une des revendications 2 à 6, dans lequel :
- on extrait une partie liquide de ladite première portion (7) ;
- on condense au niveau du condenseur (9) uniquement la partie gazeuse de ladite première portion ;
- on mélange (10) la partie non gazeuse et le flux issu du condenseur (9).
8) Procédé selon la revendication 1 , dans lequel on reforme ledit fluide de travail en réalisant les étapes suivantes :
- on envoie le flux issu d'un condenseur (9) vers une pompe (14) ;
- on préchauffe le flux sortant de la pompe (14) au moyen d'un échangeur (12) ;
- on réchauffe à nouveau le flux sortant de l'échangeur (12) au moyen d'un échangeur de chaleur (15).
9) Procédé selon la revendication 8, dans lequel on réchauffe le flux sortant de la pompe (14) en faisant circuler le liquide en sortie du ballon de séparation (2), appelé deuxième portion, dans l'échangeur de chaleur (15), cette dite deuxième portion étant ensuite détendue (16) puis mélangée (6) à ladite première portion sortant de l'étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique.
10) Procédé selon l'une des revendications 8 et 9, dans lequel on réchauffe le flux sortant de la pompe (1 1 ) au moyen d'un échangeur de chaleur (12), en faisant circuler la partie liquide extraite de ladite première portion au moyen de l'extracteur (4), cette partie liquide étant ensuite mélangée (13) au flux sortant de la pompe (1 1 ). 1 1 ) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit fluide de travail comporte de l'ammoniac et de l'eau.
12) Procédé selon la revendication 1 1 , dans lequel ledit fluide de travail comporte entre 90 et 98% en mole d'ammoniac, de préférence sensiblement 95 % en mole d'ammoniac.
13) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdites sources de chaleur et de froid (SF ; SC) sont constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes.
14) Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on chauffe ladite première portion en amont de l'étape de transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique au moyen d'au moins une source de chaleur (H2).
15) 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 comportant consécutivement :
- un premier échangeur de chaleur (1 ) pour chauffer ledit fluide de travail au moyen d'une 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,
des moyens (9 ; 6) pour reformer ledit fluide de travail comportant au moins un second échangeur de chaleur (9) pour condenser au moins ladite première portion par un échange thermique avec une source de froid (SF) à une température inférieure à la température de vaporisation dudit premier fluide et au moins un mélangeur (6) pour mélanger lesdites deux portions,
caractérisé en ce que ledit circuit fermé comporte une source de chaleur (H1 ) entre ledit premier échangeur de chaleur (1 ) et ledit ballon de séparation (2), pour chauffer ledit fluide de travail.
16) Système selon la revendication 15, dans lequel ledit circuit fermé comporte, après la première turbine (3), un extracteur (4) pour extraire de ladite première portion une partie gazeuse d'une partie liquide, et une deuxième turbine (5) pour convertir l'énergie thermique contenue dans ladite partie gazeuse en énergie mécanique.
17) Système selon la revendication 16, dans lequel ledit circuit fermé comporte une source de chaleur (H3) en amont de la deuxième turbine (5), pour chauffer ladite première portion. 18) Système selon l'une des revendications 15 à 17, dans lequel ledit circuit comporte en outre :
- une pompe (1 1 ) dans laquelle est envoyé le flux issu du condenseur (9);
- un échangeur (12) pour préchauffer le flux sortant de la pompe (1 1 ) ;
- une pompe (14) dans laquelle est envoyé le flux préchauffé ; et
- un échangeur de chaleur (15) pour réchauffer le flux sortant de la pompe (14) ;
19) Système selon l'une des revendications 15 à 18, dans lequel le liquide en sortie du ballon de séparation (2), appelé deuxième portion, circule dans l'échangeur de chaleur (15), et dans lequel le circuit comporte un détendeur (16) et un mélangeur (6) pour détendre et mélanger ladite deuxième portion à ladite première portion sortant de la deuxième turbine (5).
20) Système selon l'une des revendications 15 à 19, dans lequel ledit fluide comporte entre 90 et 98 % en mole d'ammoniac, de préférence sensiblement 95 % en mole d'ammoniac.
21) Système selon l'une des revendications 15 à 20, dans lequel lesdites sources de chaleur et de froid (SF, SC) sont constituées d'eau de mer prélevée à des profondeurs différentes.
22) Système selon l'une des revendications 15 à 20, dans lequel lesdites sources chaudes (H1 , H2 et H3) sont des pompes à chaleur.
23) Système selon l'une des revendications précédentes, comprenant une source de chaleur (H2) en amont de la première turbine (3), pour chauffer ladite première portion.
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