CA 03104864 2020-12-23
WO 2020/002818 PCT/FR2019/051550
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PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONVERSION D'ENERGIE THERMIQUE
Domaine technique
Le domaine de l'invention est celui des technologies de valorisation de la
chaleur, en particulier de la
chaleur fatale industrielle.
L'invention concerne en particulier un procédé de conversion d'énergie
thermique en énergie mécanique,
puis, de préférence, en énergie électrique et/ou en énergie frigorifique.
L'invention vise également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Etat de l'art - Problème technique
La chaleur fatale est la chaleur résiduelle issue d'un procédé et non utilisé
par celui-ci (fumée, buée de
séchage, échappement d'un moteur thermique,...)
Les sources de chaleur fatale sont très diversifiées. Il peut s'agir de sites
de production d'énergie (les
centrales nucléaires), de sites de production industrielle, de bâtiments
tertiaires d'autant plus émetteurs
de chaleur qu'ils en sont fortement consommateurs comme les hôpitaux, de
réseaux de transport en lieu
fermé, ou encore de sites d'élimination comme les unités de traitement
thermique de déchets.
Pour ce qui concerne la chaleur fatale industrielle, les secteurs de la
sidérurgie, de la chimie, du ciment,
de l'agro-alimentaire ou encore du verre, génèrent des quantités énormes de
chaleur perdues par
dissémination dans l'atmosphère.
A titre d'exemple, 36 A de la consommation de combustible de l'industrie est
perdue sous forme de
chaleur.
Les gaz d'échappement sont une autre source de chaleur fatale.
La chaleur fatale représente un gisement de l'ordre de 50 8)/0 de la
consommation mondiale d'énergie,
tous domaines confondus.
La directive européenne 2012/27/UE relative à l'efficacité énergétique rend
obligatoire pour les émetteurs
de chaleur fatale situés à proximité d'un réseau de chaleur, la réalisation
d'une analyse coûts-avantages
afin d'étudier les possibilités de valorisation de la chaleur fatale. Si la
solution est jugée rentable, elle doit
être mise en oeuvre. De même, tout projet de réseau de chaleur doit également
évaluer les différents
potentiels de récupération de chaleur fatale.
Dans ce contexte, la demande de brevet W02012089940A2 décrit un dispositif de
conversion d'une
énergie thermique en une énergie mécanique comportant :
- une ligne d'approvisionnement en premier fluide,
- une ligne d'approvisionnement en fluide caloporteur,
- un générateur de vapeur muni :
o d'une première entrée connectée à la ligne d'approvisionnement du premier
fluide, le premier fluide
empruntant un premier chemin entre la première entrée et une première sortie,
o d'une deuxième entrée recevant le fluide caloporteur, le fluide caloporteur
empruntant un
deuxième chemin entre la deuxième entrée et une deuxième sortie, le deuxième
chemin étant
distinct du premier chemin, le premier chemin étant couplé thernniquement au
deuxième chemin, de
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manière à former de la vapeur à partir du premier fluide, ladite vapeur
sortant du générateur par la
première sortie,
- une chambre munie :
o d'une première entrée connectée à la première sortie du générateur de
vapeur, le premier fluide
empruntant un premier chemin dans la chambre entre la première entrée et une
première sortie, la
chambre étant configurée pour réaliser la détente isotherme du premier fluide
dans la chambre au
moyen une détente fractionnée par une pluralité de détentes élémentaires
isothermes,
o d'une deuxième entrée connectée à la ligne d'approvisionnement en fluide
caloporteur, le fluide
caloporteur empruntant un deuxième chemin distinct du premier chemin entre la
deuxième entrée et
une deuxième sortie, la deuxième sortie de la chambre étant connecté à la
deuxième entrée du
générateur de vapeur,
Le premier chemin étant couplé thermiquennent au deuxième chemin de manière à
chauffer le
premier fluide entre chaque détente,
- un dispositif de mélange connecté à la première sortie de la chambre et à la
deuxième sortie du
générateur de vapeur et configuré de manière à mélanger le premier fluide sous
forme vapeur avec un
fluide caloporteur pour obtenir un mélange double phase.
Le fluide caloporteur est chauffé des moyens de captation d'énergie solaire.
Le fluide caloporteur est par exemple de l'huile tandis que le premier fluide
est un flux thermodynamique,
par exemple de l'eau ou un mélange eau/glycérol. Ce mélange double phase est
un flux de fluide
caloporteur sous forme de gouttelettes d'huile et de fluide thermodynamique
sous forme de vapeur d'eau,
à haute température. L'énergie cinétique de ce flux est transformée en énergie
mécanique au moyen
d'une turbine du type turbine Pelton, entraînant un alternateur électrique. On
récupère le mélange
huile/eau en sortie turbine et on sépare les 2 fluides, qui sont ensuite
réutilisés dans cette conversion
énergétique de chaleur en énergie mécanique puis en électricité.
Dans ce procédé et ce dispositif selon W02012089940A2, le fluide caloporteur
est chauffé par un
concentrateur solaire et concourt ensuite à la transformation en vapeur du
fluide thermodynamique puis
au réchauffement du fluide thermodynamique entre chaque détente. Ce procédé et
ce dispositif selon
VV02012089940A2 ne sont pas spécifiquement adaptés à la transformation en
énergie électrique de
l'énergie thermique provenant de chaleur fatale, laquelle peut avoir une large
plage de température. Par
ailleurs, les performances de ce procédé et de ce dispositif connus peuvent
être améliorées notamment
en termes de rendement énergétique et d'extension de la gamme des puissances
électriques générées.
Objectifs de l'invention
Dans ce contexte, la présente invention vise à satisfaire à au moins l'un des
objectifs énoncés ci-après.
,à-L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un
procédé perfectionné de
conversion d'énergie thermique, de préférence de chaleur fatale, en énergie
mécanique, et,
préférentiellement en énergie électrique et/ou en énergie frigorifique, le
perfectionnement recherché
consistant en une amélioration du rendement énergétique de la conversion.
L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un
procédé perfectionné de
conversion d'énergie thermique provenant d'une source de chaleur fatale, en
énergie mécanique, et,
préférentiellement en énergie électrique et/ou en énergie frigorifique, le
perfectionnement recherché
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consistant en une adaptabilité du procédé à des sources de chaleur fatale dont
la température varie dans
une large gamme.
c- L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un
procédé perfectionné de
conversion d'énergie thermique, de préférence de chaleur fatale, en énergie
mécanique, et,
préférentiellement en énergie électrique et/ou en énergie frigorifique, qui
soit économique en termes de
production et de maintenance.
L'un des objectifs essentiels de la présente invention de fournir un procédé
perfectionné de conversion
d'énergie thermique, de préférence de chaleur fatale, en énergie mécanique,
et, préférentiellement en
énergie électrique et/ou en énergie frigorifique, qui soit en adéquation avec
les contraintes
environnementales.
,à-L'un des objectifs essentiels de la présente invention est de fournir un
dispositif industriel, fiable,
performant, économique et robuste, pour la mise en oeuvre du procédé tel que
visé dans l'un des
objectifs ci-dessus.
Brève description de l'invention
Ces objectifs, parmi d'autres, sont atteints par la présente invention qui
concerne, en premier lieu, un
procédé de conversion d'énergie thermique, de préférence de chaleur fatale,
contenue dans un fluide au
moins en partie gazeux dit fluide fatal (FF), en énergie mécanique, et,
préférentiellement en énergie
électrique et/ou en énergie frigorifique;
ledit procédé mettant en oeuvre au moins un fluide thermodynamique FT et au
moins un fluide
caloporteur FC, dans lequel :
I. on met en oeuvre un flux f code fluide FC au moins en partie
liquide;
II. on transfère au flux f c de l'énergie thermique à convertir issue du
fluide FF;
III. on pulvérise le flux f c chauffé en (II) pour générer un flux f cl
fragmenté de fluide FC;
IV. en parallèle, on met en uvre un flux f t de fluide FT au moins en
partie liquide;
V. puis on transfère au flux f t de fluide FT de l'énergie thermique à
convertir issue du fluide FF,
pour générer un flux ft, dont la température est supérieure à celle du flux ft
, le fluide FT du flux
ft étant:
i. en phase liquide;
ii. en phase liquide et en phase vapeur;
iii. en phase vapeur à saturation;
iv. ou en phase vapeur surchauffée ;
VI. au besoin, on chauffe le flux ft, pour le vaporiser de sorte que son
titre en vapeur soit
supérieur ou égal à 0,9; de préférence à 0,95;
VII. on injecte le flux ft dans au moins une enceinte recevant également le
flux f de fluide FC,
pour former un flux mélangé biphasique f cl/t; le rapport Rd du débit massique
du fluide FT sur
le débit massique total du fluide FC et du fluide FT, étant compris entre 1 et
20%, de
préférence entre 3 et 18%, et, plus préférentiellement encore entre 5 et 15 %;
VIII. ce flux f 'lit est ensuite accéléré et détendu;
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IX. on convertit l'énergie cinétique de ce flux accéléré f dit en énergie
mécanique; cette dernière
étant éventuellement transformée en énergie électrique et/ou en énergie
frigorifique;
X. on sépare, d'une part, FT et, d'autre part, FC ;
Xl. on récupère, d'une part, un flux f t au moins en partie gazeux
de FT et, d'autre part, un flux f
cOau moins en partie liquide de FC ;
XII. on comprime et on augmente la vitesse de circulation du flux f code FC;
XIII. on condense le flux f toc au moins en partie gazeux de FT en un flux f t
au moins en partie
liquide de FT;
XIV. on comprime et on augmente la vitesse de circulation du flux f t de FT;
caractérisé
en ce que ce procédé comprend la mise en oeuvre d'au moins une boucle de
circulation de FT et
d'au moins une boucle de circulation de FC;
ces deux boucles ayant en commun:
i. au moins un Injecteur-Mélangeur-Accélérateur (IMA) dans lequel le flux f
G et le flux f t sont
destinés à être injectés/mélangés/accélérés;
ii. au moins un convertisseur du flux accéléré f dit en énergie mécanique;
iii. éventuellement au moins un transformateur de cette énergie mécanique
en énergie
électrique et/ou en énergie frigorifique;
iv. au moins un séparateur de FT et de FC;
- la boucle de circulation de FT comportant au moins un échangeur thermique
entre FT (étape V,
voire VI) et FF, au moins un condenseur de FT et au moins une pompe de mise en
circulation de FT
dans cette boucle;
- la boucle de circulation de FC comportant un échangeur thermique entre FC
(étape II) et FF et au
moins une pompe de mise en circulation de FC dans cette boucle.
Il est du mérite des inventeurs d'avoir imaginé de mettre en uvre deux
boucles fluides : une de fluide
caloporteur et une de fluide thermodynamique, chacune de ces boucles
comportant des moyens de mise
en circulation du fluide et des moyens de récupération de la chaleur fatale
par échange thermique entre
le fluide fatal et le fluide caloporteur dans l'une des boucles, ou le fluide
thermodynamique dans l'autre
boucle.
Cela fait du procédé selon l'invention une technique de conversion
thermocinétique qui soit économique,
fiable, performante, éco-compatible et à rendement amélioré.
Cette amélioration de l'efficacité de la transformation de la chaleur fatale
et énergie mécanique, et
préférentiellement en énergie électrique ou froid, est premièrement obtenue
par une maximisation de la
récupération de l'énergie fatale disponible par le réchauffage par échangeurs
sur le flux de chaleur fatale
d'un fluide caloporteur FC captant les hautes températures, complété par le
réchauffage d'un fluide
thermodynamique FT afin de capter les températures inférieures. Ce dispositif
à deux fluides permet
d'épuiser la quasi-totalité de l'énergie thermique valorisable.
Ce système jouit en effet d'un faible coût d'investissement et de maintenance.
Sa simplicité, sa robustesse, son caractère relativement silencieux, sa
facilité d'implantation et de mise
en oeuvre, son fonctionnement à très faible pression (1-10 bars), sa sécurité,
son respect de
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l'environnement (pas de pression dans les capacités, pas de fluide organique),
sa flexibilité (diversité des
sources de chaleur), sa modularité (plusieurs jets sur une même turbine), son
pourcentage important de
chaleur fatale valorisée grâce aux 2 fluides, le fait qu'ils produisent une
source froide de l'ordre de 80 C
permettant une valorisation complémentaire, son coût d'installation réduit, sa
rentabilité financière, sont
5 des atouts parmi d'autres du système selon l'invention.
Cette optimisation de la quantité de chaleur fatale captée est complétée par
une optimisation du dispositif
IMA (Injecteur-Mélangeur-Accélérateur) de transformation de l'énergie
thermique en énergie cinétique,
obtenue par un ratio adapté de proportion entre le fluide thermodynamique FT
et le fluide caloporteur FC,
éventuellement complété par une accélération du fluide thermodynamique FT en
amont de son mélange
avec le fluide caloporteur FC. Ainsi, dans son principe inventif, le procédé
comprend pour la mise en
oeuvre de l'étape VII, le choix d'un rapport Rd du débit massique du fluide FT
sur le débit massique total
du fluide FC et du fluide FT, est compris entre 1 et 20%, de préférence entre
3 et 18%, et, plus
préférentiellement encore entre 5 et 15 %.
Conformément à l'invention, l'énergie thermique à convertir est contenue dans
un fluide fatal FF, dont une
partie des calories est transférée tout d'abord vers FC (étape II), et dont
une autre partie des calories est
ensuite transférée vers FT pour son réchauffement et, de préférence, pour sa
vaporisation (étapes V et
VI).
Selon une modalité intéressante de l'invention, la température de FF à la
sortie des échangeurs de
chauffage de FC et FT peut être avantageusement adaptée, avant que FF ne soit
évacué à l'extérieur.
En effet, quand FF est chargé en particules solides, FF est évacué à
l'extérieur, de préférence, après
avoir été soumis à un traitement d'extraction de ces particules solides par
filtration, ce qui impose une
température maximale de FF, afin de ne pas dégrader les filtres (typiquement
<200 C).
Grâce à l'utilisation de 2 fluides FT et FC chauffés directement par le fluide
fatal FF, la température finale
du FF est adaptée aux contraintes de filtration, s'il y a lieu, avant son
évacuation à l'extérieur et/ou aux
contraintes de corrosion, car il est possible de dimensionner de façon
optimale les échangeurs
thermiques mis en oeuvre dans ce procédé, et en particulier la température de
FF à la sortie de
l'échangeur FF/FT pour le chauffage de FT.
Selon une possibilité intéressante de l'invention, la température du fluide FF
à l'issue des étapes II, V
voire VI, est comprise entre 100 et 200 C et plus préférentiellement encore,
entre 180 C et 200 C.
Ces valeurs de température pour FF au cours du procédé, augmente la
compatibilité de ce dernier avec
une grande multiplicité de processus industriels générant de la chaleur
fatale.
Avantageusement, lors l'étape VII, l'injection du flux ft du fluide
thermodynamique FT dans une enceinte
d'injection de l'IMA se fait à une vitesse comprise entre 40 et 300 m/s, de
préférence entre 50 et 150 m/s
et, plus préférentiellement encore, entre 60 et 100 m/s.
Lors l'étape VIII, le flux ft est préférablement accéléré et détendu dans au
moins une chambre de profil
adapté, de préférence dans une tuyère.
Dans une variante remarquable, avant l'étape VIII, le flux ft est soumis, lors
d'au moins une étape (VIII )
de pré-accélération par détente, de préférence quasi-isotherme ou
polytropique, du flux ft, dans au moins
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une chambre de profil adapté, de préférence dans une tuyère; cette étape (VIII
) étant avantageusement
mise en oeuvre dans la même chambre de profil adapté que celle de l'étape
(VIII).
Selon une autre disposition innovante du procédé conforme à l'invention, FT
est un liquide aqueux, de
préférence choisi dans le groupe comprenant -idéalement constitué par- l'eau,
le glycérol et leurs
mélanges. En outre, FC est choisi parmi les huiles végétales ou minérales, de
préférence parmi les huiles
non miscibles à l'eau et/ou ayant une température d'apparition d'un vernissage
supérieure ou égale à
200 C, de préférence à 300 C, et, plus préférentiellement encore parmi les
huiles végétales; FC étant
idéalement choisi dans le groupe comprenant -idéalement composé de- : l'huile
de ricin et/ou l'huile
d'olive.
Suivant une caractéristique préférée de l'invention, le fluide fatal FF
présente initialement une
température supérieure ou égale à 200 C et préférentiellement supérieure ou
égale à 300 C, et/ou est
choisi parmi les fluides gazeux et, plus préférentiellement encore, dans le
groupe comprenant -
idéalement composé de-: l'air chaud, les vapeurs d'eau, les gaz d'échappement
de moteurs, les fumées,
en particulier les fumées industrielles, les chaleurs de flamme et les
chaleurs de séchoirs, ou parmi les
fluides liquides (e.g. comme c'est le cas dans les installations solaires à
concentration).
Cela concerne en particulier les incinérateurs de déchets, les installations
de production de chaleur à
partir de la biomasse, les industries telles que les aciéries, les
cimenteries, les verreries, ainsi que les
moteurs thermiques notamment de groupe électrogène.
Le procédé selon invention se singularise en ce qu'il met en uvre au moins
l'une des caractéristiques
suivantes :
Cl. la pression de service Pf c (en bars) du flux f cC avant la
pulvérisation de l'étape III et après la
compression du flux f C de FC à l'étape XII, est telle que - dans un ordre
croissant de
préférence- :
3 <pfCtJ30; 5 <pfCO25 ; 10 <pfCO15
02. la pression de service Pf t (en bars) du flux ft avant l'injection lors
de l'étape VII et après la
compression du flux f tw de FC à l'étape XIV, est telle que - dans un ordre
croissant de
préférence- :
3 Pft 30; 5 Pf t 25; 10 Pf t< 15
03. Pf c et Pf t sont identiques ou différentes, de préférence identiques;
04. La pression Pf dit du flux f dit après l'étape IX de conversion de
l'énergie cinétique en
énergie mécanique, en bars et dans un ordre croissant de préférence, est telle
:
pfC1it 2 ; 0,3 pf citt .
; de l'ordre de 1 bar (pression atmosphérique).
Avantageusement, la taille des gouttelettes de FC composant le flux fragmenté
généré à l'étape (III) est
comprise entre 100 et 600 pnn, de préférence entre 200 et 400 pm.
Dans une variante performante de l'invention, on fait en sorte que la détente
du flux ft dans l'enceinte de
l'IMA recevant également le flux el fragmenté de fluide FC, engendre un effet
d'accélération (parfois
appelé effet de trompe) provoqué par un flux moteur à savoir le flux ft de FT,
sur un flux aspiré à savoir le
flux fcl de FC.
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Dans un autre de ses aspects, la présente invention a pour objet un dispositif
simple et efficace, en
particulier pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, caractérisé
en ce qu'il comprend au moins
une boucle de circulation de FT et au moins une boucle de circulation de FC,
ces deux boucles ayant en commun:
5i. au moins
un Injecteur-Mélangeur-Accélérateur (IMA) dans lequel le flux f c et le flux
f t sont
destinés à être injectés/mélangés/accélérés;
ii. au moins un convertisseur du flux accéléré f dit en énergie mécanique;
iii. éventuellement au moins un transformateur de cette énergie mécanique
en énergie
électrique et/ou en énergie frigorifique;
iv. au moins un séparateur de FT et de FC;
- la boucle de circulation de FT comportant au moins un échangeur thermique
entre FT (étape V,
voire VI) et FF, au moins un condenseur de FT et au moins une pompe de mise en
circulation de FT
dans cette boucle;
- la boucle de circulation de FC comportant un échangeur thermique entre FC
(étape II) et FF et au
moins une pompe de mise en circulation de FC dans cette boucle.
De préférence, l'IMA comprend au moins un mélangeur à buses du flux f c
fragmenté et du flux f t sous
forme de vapeur.
Pour augmenter encore l'énergie cinétique du flux producteur de mouvement
mécanique, l'IMA comprend
avantageusement au moins une tuyère d'accélération connectée à la sortie du ou
des mélangeurs.
De préférence, le convertisseur du flux accéléré f dit en énergie mécanique,
est constitué par au moins
une turbine, de préférence une turbine à action.
Sur une caractéristique intéressante de l'invention:
¨> le transformateur de l'énergie mécanique en énergie électrique, est
constitué par au moins un
alternateur et/ou au moins une génératrice,
¨> ou le transformateur de l'énergie mécanique en énergie frigorifique est
constitué par au moins
une machine frigorifique comprenant au moins un compresseur comportant au
moins un arbre
susceptible d'être entraîné en rotation par une source d'énergie mécanique.
Par exemple, ce transformateur de l'énergie mécanique en énergie frigorifique
est constitué par au moins
un entrainennent direct de l'arbre du compresseur de la machine frigorifique.
Dans un mode de réalisation, le mélangeur est un mélangeur à buses qui
comprend:
= au moins un fragnnenteur du flux r sous forme de gouttelettes, ledit
fragnnenteur
comportant au moins une buse, préférentiellement plusieurs afin de minimiser
les pertes
de charge sur le flux r;
= au moins une chambre de mélange du flux fc après fragmentation et du
flux ft sous
forme d'eau et/ou de vapeur, cette chambre de mélange convergeant dans le sens
des
flux FT et FC;
= au moins un conduit d'admission de FT dans la chambre de mélange ;
= au moins une canalisation d'admission de FC dans la chambre de mélange;
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la chambre de mélange comportant une sortie disposée à son point de
convergence, cette sortie
débouchant dans au moins un conduit d'accélération;
le conduit d'admission de FT comprenant un segment interne et axial par
rapport à la chambre de
mélange, ce segment interne et axial étant muni d'au moins une buse terminale
d'éjection de FT, qui
comporte un orifice de sortie de FT disposé au voisinage de la partie
d'extrémité de plus petite dimension
de la chambre de mélange convergente ;
la canalisation d'admission de FC communiquant avec une pluralité de buses
d'éjection de FC qui sont
réparties sur le pourtour du segment interne et axial d'admission de FT, et
qui comporte des orifices de
sortie de FC en amont de l'orifice de sortie de FT;
le segment interne et axial du conduit d'admission de FT étant de préférence
équipé d'un organe
d'accélération, avantageusement formé par un venturi.
Définitions
Dans tout le présent exposé, tout singulier désigne indifféremment un
singulier ou un pluriel.
Les définitions données ci-après à titre d'exemples, peuvent servir à
l'interprétation du présent
exposé :
= "fluide" : corps liquide et/ou gazeux
= "fluide fatal FF" : fluide porteur de la chaleur fatale destinée à être
convertie en énergie
mécanique
= "fluide thermodynamique FT" : fluide au moins en partie vaporisable au moyen
des
calories de l'énergie thermique à convertir et provenant du fluide fatal FF
= "vapeur" : état gazeux du fluide
= "fluide caloporteur FC" : fluide liquide apte à absorber les calories de
l'énergie thermique
à convertir et provenant du fluide fatal FF, sans passer entièrement à l'état
gazeux ;
= "environ" ou "sensiblement" signifie à plus ou moins 10 % près, voire plus
ou moins 5%
près, rapporté à l'unité de mesure utilisée;
= "compris entre ZI et Z2" signifie que l'une et/ou l'autre des bornes Z1,
Z2 est incluse ou
non dans l'intervalle [Z1, Z2] ;
= non miscible à l'eau s'entend dans les conditions de température et de
pression qui
sont celles du procédé selon l'invention.
= La température d'apparition d'un vernissage est la température à partir
de laquelle on
a un changement des caractéristiques de viscosité de l'huile, en particulier
une
augmentation marquée de la viscosité.
Description détaillée de l'invention
Cette description est faite en référence aux figures annexées dans lesquelles
:
-
La figure 1 est un schéma synoptique du système selon invention qui comprend
le
procédé avec ses modalités opératoires et le dispositif avec ses éléments
constitutifs.
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- La figure 2A est un schéma du système selon invention faisant apparaître
les flux de
fluide thermodynamique FT et de fluide caloporteur FC à différents endroits du
dispositif
et à différents moments du procédé.
- La figure 2B est un diagramme d'entropie de la température T du fluide
thermodynamique FT en fonction de l'entropie S, correspondant au système de la
figure
2A.
- La figure 3A est un schéma d'une variante double détente du système selon
invention
faisant apparaître les flux de fluide thermodynamique FT et de fluide
caloporteur FC à
différents endroits du dispositif et à différents moments du procédé.
- La figure 3B est un diagramme d'entropie de la température T du fluide
thermodynamique FT en fonction de l'entropie S, correspondant au système de la
figure
3A.
- La figure 4 est une vue en coupe de l'injecteur-mélangeur-accélérateur
(IMA) selon un
premier mode de réalisation.
- La figure 5
est une vue schématique en coupe partielle de la turbine et de l'alternateur
du
dispositif montré sur les figures 1 & 2A.
PROCEDE
Mode préféré de mise en oeuvre du procédé selon invention
La figure 1 annexée illustre schématiquement le principe et les moyens du
système selon invention de
conversion d'énergie thermique en énergie mécanique puis électrique.
Le pavé -1- symbolise une source de chaleur fatale contenue dans un fluide
fatal (FF). Il peut s'agir par
exemple d'un procédé industriel émetteur de fumées (FF).
FF (température T ) est acheminé par une canalisation 2 au travers d'un
premier échangeur 3i, puis par
une canalisation 21 (FF à une température T1), au travers d'un 2e échangeur 4i
en série avec l'échangeur
31. Au sortir de l'échangeur 41, FF (température T2) est amené via une
canalisation 22, dans une
installation de traitement des fumées FF, symbolisé par le pavé 5. Ce
traitement est, par exemple, une
filtration effectuée au moyen d'un filtre à manches.
FF débarrassé d'au moins une partie des éléments solides, est évacué par la
canalisation 23 jusqu'à une
cheminée 6 qui libère FF dans l'air ambiant.
Le dispositif symbolisé sur la figure 1 comporte par ailleurs un injecteur-
mélangeur-accélérateur (IMA)
10ii produisant un flux double phase mélangé et accéléré f dlit, un
convertisseur 11iii de l'énergie
cinétique du flux double phase mélangé et accéléré f dit , en énergie
mécanique, et un transformateur
12iv de cette énergie mécanique en énergie électrique. Le convertisseur 11iii
est par exemple une turbine
à action de type Pelton et le transformateur 121v, une génératrice électrique.
Suivant l'invention, il est prévu une boucle de circulation de fluide PC et
une boucle de circulation de
fluide FT.
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La boucle FC comprend :
- l'échangeur thermique 3i;
- une canalisation 31 d'alimentation de FC dans l'échangeur 3i;
- un serpentin 32, siège du transfert de calories de FF vers FC ( à
titre d'alternative au serpentin, il
5 est possible de mettre en uvre un échangeur fonctionnant selon une
autre technologie, par
exemple : tube de fumée, plaques...) ;
- une canalisation 33 de transfert de FC de l'échangeur 3i vers l'IMA
10ii;
- l'IMA 10ii;
- la turbine 11iii;
10 - la génératrice 12iv;
- un séparateur de FC et de FT comprenant une capacité 13v et disposé
en sortie de turbine 11iii
- une canalisation 34 de récupération/recyclage de FC, connectée à la
capacité de séparation 13v;
- une pompe 35 de mise en circulation de FC,
cette pompe 35 étant reliée, d'une part, à la capacité de séparation13v par la
canalisation 34, et,
d'autre part, à l'échangeur 3i, par la canalisation 31.
La boucle FT comprend :
- l'échangeur thermique 41;
- une canalisation 41 d'alimentation de FT dans l'échangeur 4i;
- un serpentin 42, siège du transfert de calories de FF vers FC ( à titre
d'alternative au serpentin, il
est possible de mettre en uvre un échangeur fonctionnant selon une autre
technologie, par
exemple : tube de fumée, plaques...) ;
- siège du transfert de calories de FF vers FT;
- une canalisation 43 de transfert de FT de l'échangeur 4i vers l'IMA
10ii;
- l'IMA 10ii;
- la turbine 11iii;
- la génératrice 12iv;
- un séparateur 13v de FC et de FT, en sortie de turbine 11 iii
- une canalisation 44 de récupération/recyclage de FT vapeur,
connectée au séparateur 13v;
- un condenseur 45 de FT;
- une canalisation 46 de recueil de FT liquide à la sortie du
condensateur 45;
- une pompe 47 de mise en circulation de FT,
cette pompe 47 étant reliée, d'une part, au condenseur 45 par la canalisation
46, et, d'autre part,
à l'échangeur 41, par la canalisation 41.
FT est avantageusement sélectionné dans le groupe comprenant : l'eau, le
glycérol, et leurs mélanges.
FC est avantageusement sélectionné parmi les huiles végétales ou minérales,
non miscibles avec l'eau,
par exemple l'huile de ricin et/ou l'huile d'olive.
Le fluide fatal FF est constitué e.g. par des fumées.
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Dans les figures 2A&26, FT est, par exemple, de l'eau repérée par les
références el à e6, FC est, par
exemple, de l'huile de ricin, repérée par les références hl à h3, et les
fumées FF sont repérées par les
références fi à f3.
Comme montré sur les figures 2A&26, dans la boucle FC, un flux liquide r
d'huile hi, à la température
Thl , par exemple comprise entre 200 et 350 C, et à une pression Phi, chemine
dans la canalisation 34,
grâce à la pompe à huile 35 de mise en circulation de fc , puis un flux
liquide fc d'huile h2 à une pression
Ph2 supérieure à Phi, parvient à l'entrée huile de l'échangeur thermique 3i
fumées fl/huile h2, par la
canalisation 31.
Les fumées fi pénètrent dans l'échangeur via une autre entrée, et, de
préférence, à contre-courant du
flux liquide fc .
La pression de service Pf c (en bars) du flux f c avant la pulvérisation de
l'étape III et après la
compression du flux f c de FC à l'étape XII, est par exemple comprise entre
10 et 20 bars.
Le flux f c d'huile h3 chauffé dans l'étape (II) est recueilli en sortie
d'échangeur 3i par la canalisation 33, à
la température Th3 > Thl & Th2, par exemple comprise entre 200 et 350 C, puis
pénètre dans l'IMA 10ii.
La vitesse V du flux f c est, par exemple, comprise entre 10 et 20 m/s.
LIMA 10ii comprend un fragnnenteur qui transforme ce flux liquide e d'huile
h3 en brouillard de
gouttelettes h3. La taille de ces gouttelettes est par exemple comprise entre
200 et 400 pnn.
Comme montré sur les figures 2A&26, dans la boucle FT, un flux liquide ft
d'eau el , à une température
inférieure à celle de condensation Tecond, chemine dans la canalisation 46,
grâce à la pompe à eau 47 de
mise en circulation de ft , puis un flux liquide ft d'eau e2, à une
température Te2, par exemple comprise
entre 40 et 80 C, inférieure à Tecond, parvient à l'entrée eau de l'échangeur
thermique 4i fumées f2/eau
e2, par la canalisation 41.
Les fumées f2 en provenance de l'échangeur thermique 3i fumées fl/huile h2,
pénètrent dans
l'échangeur 4i via une autre entrée, et, de préférence, à contre-courant du
flux liquide ft .
La pression de service Pf t (en bars) du flux f t avant la pulvérisation de
l'étape III et après la compression
du flux f toe de FC à l'étape XIV est par exemple identique à Pf c et
comprise entre 10 et 20 bars.
Le flux f t d'eau e3 chauffé dans l'étape (V) et au moins en partie constitué
de vapeur, est recueilli en
sortie d'échangeur 41 par la canalisation 43, à la température Te3> Tel & Te2,
par exemple comprise
entre 180 et 250 C, puis pénètre dans l'IMA 10ii.
Te3 correspond avantageusement à la température d'évaporation Tevap du FT, en
l'occurrence de l'eau.
La vitesse V du flux f t de vapeur est, par exemple, comprise entre 60 et 100
m/s.
L'étape éventuelle (VI) de chauffage du flux f t d'eau e3 flux ft, pour le
vaporiser de sorte que son titre en
vapeur soit supérieur ou égal à 0,9; de préférence à 0,95, est réalisée par un
dinnensionnennent adapté
de l'échangeur 4i.
La partie commune aux boucles FT et FC qui comprend les éléments du dispositif
IMA 10ii, turbine
alternateur 121v et séparateur 13v, est ensuite le siège:
= de l'étape (III) de pulvérisation du flux f c chauffé dans l'étape (II)
pour générer un flux f cl
fragmenté de gouttelettes de fluide FC, en l'occurrence huile;
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= de l'étape (VII) d'injection du flux ft dans au moins une enceinte
recevant également le flux f cl de
fluide FC, pour former un flux mélangé biphasique f e3m;
= de l'étape (VIII) d'accélération et de détente du flux f dit mélangé
biphasique e3m.
Cette accélération augmente la vitesse du flux f cl mélangé au flux f t, de 10
à 20 mis, à une vitesse Vf d'ut
supérieure ou égale à 100 m/s, par exemple comprise entre 120 et 140 m/s. Ce
flux f dit mélangé
biphasique e3m, devient le flux f dit mélangé biphasique accéléré e4.
Lors de l'étape (VII) pour former un flux mélangé biphasique f cl/t , on règle
les débits massiques des
fluides FT et FC de telle sorte que le rapport Rd= débit massique de FT/ E
débits massiques de FT & FC
= là 20%, par exemple 10%.
La figure 2B qui représente le cycle décrit par le flux f t de vapeur e3 entre
la source chaude et la source
froide dans l'espace T température et S entropie, montre que la détente de
l'étape (VII), est une détente
isotherme jusqu'au mélange du flux f t de vapeur et du flux f cl fragmenté,
qui induit une détente quasi-
isotherme jusqu'au flux f cl/t e3nn.
Cela correspond à l'étape (VIII) d'accélération et de détente du flux mélangé
biphasique f clIt.
Cela suppose de faire en sorte par le dimensionnennent des échangeurs 3i & 4i
que Th3 soit> à Te3.
L'accélération subie par le flux f dite3m dans l'IMA 10ii produit un flux
accéléré f dite4, qui est projeté sur
les aubes de la turbine 11111, par exemple de type Pelton 9, utile comme
convertisseur de l'énergie
cinétique en une énergie mécanique de rotation transmise à l'alternateur 12iv
qui produit de l'énergie
électrique, tout ceci dans le cadre de l'étape (IX).
Avant la séparation de l'étape (X), le flux f dite4 devenu e5 et libéré d'une
grande partie de son énergie
cinétique, est caractérisé par une pression Pf cl/t environ égale ou égale à
la pression atmosphérique.
Après la séparation de l'étape (X), le flux f Cit e5 se divise en un flux f
t100 e6 et en un flux fc hi. f dit et f
tioo sont récupérés séparément selon l'étape (XI).
La figure 2B montre que les températures Te3nn, Te4,Te4, Te5 et Te6 sont
égales entre elles et sont
supérieures à la température Tevap=Te3.
Dans l'étape (XII), on comprime et on augmente la vitesse de circulation de fc
.
Le flux f t de vapeur d'eau e6 voit sa température chuter pour atteindre la
température Tel du flux f t au
moins en partie d'eau liquide el, lors de l'étape de condensation selon
l'étape (XIII).
Dans l'étape (XIV), on comprime et on augmente la vitesse de circulation de ft
.
Autre Variante de ce mode préféré de mise en oeuvre du procédé selon invention
Suivant une possibilité intéressante de l'invention, on fait en sorte que la
détente du flux f t dans l'enceinte
recevant également le flux f cl de brouillard de fluide FC, engendre un effet
de trompe provoqué par un
flux moteur à savoir le flux f t de FT, sur un flux aspiré à savoir le flux f
cl de FC.
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Cet effet de trompe est déterminé par la configuration de l'enceinte de
mélange de l'IMA 10ii.
Des exemples de réalisation d'une telle configuration sont donnés ci-après.
Variante "double détente" de ce mode préféré de mise en oeuvre du procédé
selon invention
Il s'agit dans cette variante d'exécuter une étape (VIII ) de pré-accélération
du flux f t par détente, de
préférence polytropique, du flux f
La figure 3A montre le schéma du système selon cette variante "double
détente".
Cela correspond au schéma du système selon le mode préféré de réalisation
montrée à la figure 2A, à la
différence près, que le flux f t de vapeur d'eau e3 est introduite, via la
canalisation 43.1 reliée à la sortie
de l'échangeur 4i, dans un accélérateur 14 de vapeur seule, dans lequel ce
flux f t est soumis à une
détente, de préférence polytropique, qui fait chuter la température de Tevap =
Te3 par exemple comprise
entre 210 et 230 C, jusqu'à une température Te3i > Tevap = Te3 ,par exemple
comprise entre 180 et 205
C.(Voir figure 3B).
Le flux f t de vapeur d'eau e3i est ensuite admis, par l'intermédiaire de la
canalisation 43.2, dans l'IMA
10ii.
Le reste du système selon cette variante "double détente" correspond à la
description faite pour le
système selon le mode préféré de mise en oeuvre du procédé selon invention.
DISPOSITIF
Dans un autre de ses aspects, la présente invention concerne un dispositif
notamment pour la mise en
oeuvre du procédé selon l'invention. Ce dispositif comprend :
Échan_geur thermique 3i
Il s'agit par exemple d'un échangeur fumées/huile tubulaire (à contre-
courant).
Échangeur thermique 4i
Il s'agit par exemple d'un échangeur fumées/eau à plaques (à contre-courant).
Accélérateur 14 de vapeur seule
Il s'agit par exemple d'une tuyère de détente dont le profil est optimisé pour
accélérer la vitesse du flux de
vapeur de FT.
IMA 10ii
De préférence, le (ou les) nnélangeur(s) 10M compris dans l'IMA 10ii peu(ven)t
être un(des) mélangeur(s)
dans le(s)quel(s) le fragmenteur est un fragnnenteur à buses et/ou tout autre
dispositif connu en soi
comprenant un fragnnenteur adapté.
De préférence, le (ou les) accélérateur(s) 10A compris dans l'IMA 10ii
peu(ven)t être une (des) tuyère(s)
d'accélération dimensionnées pour être soniques au col (Vitesse du fluide =
vitesse du son dans le
milieu).
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M.00p.OQrOespPpriAv.e.c. L.11111104r.le r. PPP9.
Comme montré sur la figure 4, le mélangeur à buses comprend de préférence:
= au moins une chambre 50 de mélange du flux f c sous forme de brouillard
et du flux ft
sous forme de vapeur ou de mélange vapeur/eau, cette chambre de mélange 50
convergeant dans le sens des flux ft et el;
= au moins un conduit 51 d'admission du flux ft de FT dans la chambre 50 de
mélange ;
= au moins une canalisation 52 d'admission de FC dans la chambre 50 de
mélange;
La chambre 50 de mélange a dans cet exemple de réalisation une forme générale
d'ogive, pourvue d'une
paroi amont 53, d'une paroi longitudinale 54, et d'une partie terminale aval
55 de convergence. La paroi
amont 53 est reliée au conduit 51 d'admission de FT à l'intérieur de la
chambre 50 de mélange. Un porte-
tuyère 56 connecte le conduit d'admission 51 à une tuyère 57 terminale
d'éjection du flux ft de vapeur e3i
dans l'enceinte 58 de la chambre de mélange 50. Le porte-tuyère 56 comprend
dans sa partie terminale
une tuyère 57 permettant de réaliser l'étape (VIII) d'accélération et de
détente du flux f t, de préférence
quasi isotherme ou par défaut polytropique, du flux f t de vapeur e3 (figure
3A) de manière à obtenir le
flux ft de vapeur e3i éjecté.
Le porte-tuyère 56 est un segment interne et axial par rapport à la chambre de
mélange. La tuyère 57
terminale d'éjection de FT comporte un orifice de sortie 57s du flux ft de
vapeur e3, disposé au voisinage
de la partie d'extrémité de plus petite dimension de la chambre 50 ogivale
convergente.
La canalisation 52 d'admission du flux fc de FC dans la chambre 50 de mélange
s'étend dans une
direction orthogonale par rapport au conduit 51 d'admission du flux ft de FT.
Cette canalisation de 52
débouche dans une pré-chambre 60 circulaire située dans la partie amont de la
chambre 50 en ogive.
Cette pré chambre 60 distribue le flux fc de FC un ensemble de buses 61,62
périphériques réparties de
manière homogène autour du porte-tuyère 56, selon 2 niveaux, un niveau amont
central : buses 62 et un
niveau aval périphérique : buses 61. Ces buses 61,62 dont les orifices de
sortie de FC sont en amont de
l'orifice de sortie 57s du flux f t de FT, produisent le brouillard de
gouttelettes de FC (flux tl) dans
l'enceinte 58 de la chambre 50 de mélange.
La partie terminale aval 55 de convergence de la chambre 50 de mélange est
solidarisée à la paroi
longitudinale 54 de cette chambre 50 de mélange, au moyen d'un système amont
de brides et de boulons
désignés par la référence générale 63 sur la figure 4. Un joint 64 circulaire
d'étanchéité est disposé entre
cette partie terminale aval 55 et la paroi longitudinale 54. Un autre système
aval 66 de brides et de
boulons permet la solidarisation de la partie terminale aval 55 de la chambre
en ogive 50 à un conduit
d'accélération 67. Ce dernier est constitué par une tuyère (dont seule la
partie amont et représentée sur
la figure 4), recueille le flux mélangé biphasique f dit (référencé e3m sur la
figure 3A) pour lui faire subir
une accélération.
Les buses 61 et 62, qui sont par exemple et en l'occurrence celles qui
comportent une partie d'extrémité
en forme hélicoïdale ( tire-bouchon ).
Le porte tuyère 56 avec un rétreint amont 59, de même que la tuyère
d'accélération 67 sont également
des pièces connues en elle-même et appropriées à l'exercice de la fonction
accélération de fluide vapeur
ou biphasique vapeur/huile.
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Sur une caractéristique remarquable de l'invention, l'extrémité de l'orifice
de sortie 576 de la tuyère 57
terminale d'éjection est placée à une distance d de la partie terminale amont
de l'entrée du conduit
d'accélération 67 de diamètre D, telle que: D d 3D, de
préférence, 1,50 d 2,5D.
5
Sur une autre caractéristique remarquable de l'invention, la structure
convergente ogivale de la chambre
de mélange 50, le positionnement relatif de la tuyère 57 en aval des buses
61/62 permet de générer un
effet de trompe par lequel le flux f t de FT est un fluide moteur qui entraîne
le fluide aspiré constitué par le
brouillard de gouttelettes de fluide FC (huile) flux ri.
10 Cet effet de trompe permet de réduire la pression en sortie de la pompe
35 du fluide FC et donc de
réduire la puissance consommée.
Convertisseur énergie cinétique/énergie mécanique 1 liii
Il s'agit par exemple d'une turbine de type Pelton, telle que celle décrite
dans la demande de brevet PCT
15 VV02012/089940A2, en particulier sur les figures de 3 et 4 et dans les
parties correspondantes de la
description.
Cet exemple de convertisseur d'énergie cinétique 11iii est décrit à nouveau ci-
après en référence à la
figure 5.
Le convertisseur d'énergie cinétique ii iii comprend une enceinte calorifugée
150 formée de deux demi-
coques 152 bombées de forme elliptique avantageusement soudées sur deux brides
154. La soudure
des deux demi-coques 152 forme une enceinte 150 étanche d'axe B sensiblement
vertical et
perpendiculaire à l'axe A de l'injecteur 151. Le fond de l'enceinte 150 forme
par exemple le réservoir de
fluide caloporteur FC (huile) où celui-ci est récolté après son passage dans
le convertisseur ii iii, comme
cela sera décrit ultérieurement.
Une cuve 155 est disposée à l'intérieur de l'enceinte 150. Cette cuve 155 est
formée d'un fond 156 de
forme sensiblement tronconique ou en forme d'entonnoir et d'une paroi 157 de
forme sensiblement
cylindrique s'étendant à partir du fond 156, le fond 156 et la paroi 157
s'étendant selon l'axe B. Une roue
à action 158 cylindrique est montée en rotation sur la cuve 155 par
l'intermédiaire d'un arbre 159
s'étendant selon l'axe B sensiblement vertical. La roue à action 158 est
disposée en regard de l'injecteur
20 de sorte que le jet injecté par celui-ci entraîne la roue à action 158 et
l'arbre 159 en rotation de sorte à
transformer l'énergie cinétique axiale du jet en énergie cinétique de rotation
de l'arbre 159. La roue à
action 158 est disposée dans l'enceinte 150.
La roue à action 158 comprennent une pluralité d'aubes 160 s'étendant
sensiblement radialennent et
présentant une forme concave. La concavité 161 des aubes 160 est tournée vers
l'injecteur 151 de sorte
que le jet injecté provenant de l'injecteur atteint lesdites concavités 161 et
entraîne la rotation de la roue
158. La concavité des aubes 160 présente une forme asymétrique par rapport à
un axe C passant par le
fond 162 des concavités et sensiblement perpendiculaire à ces concavités,
c'est-à-dire sensiblement
parallèle à l'axe A situé au-dessus de l'axe C. Cette asymétrie détermine pour
chaque aube 160 une
partie supérieure 163 s'étendant au-dessus de l'axe C et une partie inférieure
164 s'étendant en dessous
de l'axe C. La partie supérieure 163 et la partie inférieure 164 présentent
des rayons de courbure et des
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longueurs différents. En particulier, le rayon de courbure de la partie
inférieure 164 est plus grand que le
rayon de courbure de la partie supérieure 163, tandis que la longueur de la
partie inférieure 164 est
supérieure à la longueur de la partie supérieure 163.
L'injecteur 151 est agencé pour injecter le jet sur la partie supérieure 163
des aubes 160. La position de
l'injection du jet sur les aubes 160 ainsi que la forme particulière de celles-
ci permettent d'allonger le
trajet du jet dans les aubes 160 et d'améliorer la stratification de ce jet en
sortie des aubes, ce qui permet
la séparation ultérieure du fluide caloporteur et du gaz à haute température.
L'angle de sortie du jet des
aubes 160, c'est-à-dire l'angle formé entre la tangente à l'extrémité de la
partie inférieure de l'aube et
l'axe horizontal C, est sensiblement compris entre 8 et 12 de sorte que le
jet en sortie d'aube 160
présente une énergie cinétique plus importante que dans une turbine Pelton
classique où l'angle de sortie
des aubes est sensiblement compris entre 4 et 8 . Ce surcroît d'énergie
cinétique permet d'améliorer la
séparation du fluide caloporteur et du gaz à haute température.
Séparateur13v= déflecteur165
En sortie d'aube 160, le jet pénètre dans un déflecteur 165 s'étendant sous
les aubes 160 et agencé pour
réorienter le fluide reçu vers la paroi 157 de la cuve 155. Le déflecteur 165
permet de stratifier le mélange
du fluide caloporteur et du gaz à haute température, comme représenté sur la
figure 4 du
W02012/089940A2. En particulier le déflecteur 165, plus particulièrement
représenté sur la figure 3 du
VV02012/089940A2, présente une forme agencée pour récupérer le mélange sortant
de la roue 158
selon une direction sensiblement verticale et pour réorienter de façon
continue ce mélange selon une
direction sensiblement horizontale, comme représenté sur la figure 4 du
W02012/089940A2, de façon à
ce qu'il sorte du déflecteur 165 de façon tangentielle à la paroi 157 de la
cuve 155, c'est-à-dire que le
mélange sort du déflecteur 165 en longeant la paroi 157 de la cuve 155. A cet
effet, le déflecteur 165
comprend au moins une ouverture d'entrée 166 du mélange de fluide caloporteur
et de gaz haute
température en sortie de la roue à action 158, ladite ouverture s'étendant
dans un plan sensiblement
perpendiculaire à l'axe B de la roue 158, c'est-à-dire un plan sensiblement
horizontal, et une ouverture de
sortie 167 du mélange, ladite ouverture s'étendant au voisinage de la paroi
157 de la cuve 155 et dans un
plan sensiblement vertical. L'ouverture d'entrée 166 et l'ouverture de sortie
167 sont reliées l'une à l'autre
par une enveloppe 168 présentant une forme courbe, comme représenté sur la
figure 3 du
VV02012/089940A2. Selon le mode de réalisation particulier représenté sur la
figure 3 du
VV02012/089940A2, des parois internes s'étendent à l'intérieur de l'enveloppe
168 sensiblement
parallèlement à celle-ci de sorte à définir des canaux de circulation du
mélange dans l'enveloppe et à
séparer plusieurs ouvertures d'entrée et un nombre correspondant d'ouvertures
de sortie.
La séparation du fluide caloporteur et du gaz haute température commence dans
les aubes 160 par la
centrifugation du mélange due à la forme des aubes 160. En passant dans le
déflecteur 165, le reste du
mélange est stratifié et passe de façon continue d'un écoulement selon la
direction de sortie de la roue
158 à un écoulement tangentiel à la paroi 157 de la cuve 155, comme représenté
sur la figure 4 du
W02012/089940A2. Cet écoulement tangentiel provoque une centrifugation du
mélange, du fait de la
forme cylindrique de la paroi 157, ce qui permet d'achever la séparation du
gaz haute température et du
fluide caloporteur par effet cyclone. Ainsi, la séparation du mélange est
réalisée de façon optimale de
sorte que le fluide caloporteur et le gaz à haute température sont séparés à
plus de 98 %. Le fait de
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prévoir une roue à action 158 en rotation autour d'un axe B sensiblement
vertical permet de créer l'effet
cyclone sur la paroi de la cuve, du fait qu'il est possible de placer un
déflecteur 165 réorientant le
mélange de façon adéquate.
Selon un mode de réalisation, le convertisseur d'énergie comprend plusieurs
injecteurs 151, par exemple
six, comme dans une turbine Pelton classique et un nombre égal de déflecteurs
165.
Une fois séparé, le fluide caloporteur est entraîné vers le fond de la cuve
155 par la gravité, tandis que le
gaz haute température, formé par de la vapeur d'eau se déplace vers le haut de
l'enceinte 150. La partie
supérieure de l'enceinte 150 comprend des moyens de récupération 169 du flux
ft vapeur haute
température séparé du fluide caloporteur FC. Le flux ft vapeur haute
température sort de l'enceinte par
ces moyens de récupération 169 et circule dans le reste de l'installation
comme cela sera décrit
ultérieurement.
Le fond 156 de la cuve 155 comprend des moyens de récupération 170 du fluide
caloporteur, afin que
celui-ci passe dans le réservoir 171 en sortant de la cuve 157. Ces moyens de
récupération 170 sont par
exemple formés par des trous d'écoulement pratiqués dans le fond 156 de la
cuve 155 et communiquant
entre la cuve 155 et le fond de l'enceinte 150.
Le fluide caloporteur récupéré sert notamment à lubrifier au moins un palier à
butée lisse 70 de type
hydrodynamique par l'intermédiaire duquel l'arbre 159 de la roue à action 158
est monté en rotation sur le
fond 156 de la cuve 155. En effet, le palier à butée lisse 172 baigne dans le
fluide caloporteur récupéré
par les moyens de récupération 173. Un tel palier 172 permet d'assurer la
rotation de l'arbre 159 à
grande vitesse dans un environnement à haute température avec une durée de vie
importante, au
contraire des classiques roulements à billes. En outre, l'installation du
palier 172 à l'intérieur de l'enceinte
150 permet de ne pas avoir de problème d'étanchéité et d'éviter les fuites de
caloporteur qui pourraient
être dangereuse. Selon le mode de réalisation représenté sur la figure 7, le
convertisseur 11iii comprend
deux paliers à butée lisse 172. Dans le réservoir 171, une pompe de
circulation 173 de fluide caloporteur
FC (huile), par exemple de type volumétrique est montée sur l'arbre 159 par
l'intermédiaire d'un joint
homocinétique 174. Cette pompe est reliée à une conduite de sortie 175 reliant
l'intérieur de l'enceinte
150 à l'extérieur et permettant de faire circuler le fluide caloporteur vers
le reste de l'installation 1. Ainsi,
la pompe de circulation 72 est agencée pour aspirer le fluide caloporteur FC
du réservoir 171 et pour
l'injecter dans la conduite de sortie 175. La pompe de circulation est
dépourvue de moteur d'entraînement
puisque son actionnennent est assuré par la rotation de l'arbre 159 de la roue
à action 158 entraîné par le
jet injecté par l'injecteur 151.
Transformateur énergie mécanique en énergie électrique : alternateur 12iv
Comme montré sur la figure 5, l'arbre 159 de la roue à action 158 sort de
l'enceinte 151 par
l'intermédiaire d'un piston 184 agencé pour assurer l'étanchéité entre
l'intérieur de l'enceinte 151 et
l'extérieur de l'enceinte 151, par exemple un piston suédois. L'arbre 159
entraîne en rotation le rotor de
l'alternateur 12iv, avantageusement du type à aimant permanent. Cet
alternateur 12iv permet de
transformer l'énergie cinétique de rotation de l'arbre 159 en énergie
électrique. L'alternateur 12iv est
CA 03104864 2020-12-23
WO 2020/002818 PCT/FR2019/051550
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refroidi, au niveau de son entrefer, par un ventilateur 180 monté sur son
rotor et par une conduite de
circulation d'eau, formant la culasse réfrigérante 181, qui gaine son stator.
L'eau alimentant la culasse
réfrigérante 181 provient d'une source d'alimentation en eau et est amenée à
la culasse par une pompe
volumétrique 182 actionnée par l'arbre 159 par l'intermédiaire d'un réducteur
183. Ainsi la pompe 108 est
dépourvue de moteur d'actionnennent. La culasse réfrigérante 181 sert au
refroidissement de l'alternateur
12iv et au préchauffage de l'eau, comme décrit précédemment.
Condenseur 45
Le flux ft de vapeur d'eau collectée par les moyens de récupération 169 prévus
dans l'enceinte 151 de la
figure 5 est refroidi par un condenseur 45 pour être transformé en un flux ftc
de fluide thermodynamique
FT (eau) liquide avant d'être recyclé.
Il peut s'agir par exemple de condenseur de type aéroréfrigérant ou d'un
échangeur dont le secondaire
est alimenté par de l'eau à une température inférieure à 60 C (rivière,
canal, ...).
