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EP3500734B1 - Circuit fermé fonctionnant selon un cycle de rankine avec un dispositif pour l'arrèt d'urgence du circuit et procédé utilisant un tel circuit - Google Patents

Circuit fermé fonctionnant selon un cycle de rankine avec un dispositif pour l'arrèt d'urgence du circuit et procédé utilisant un tel circuit Download PDF

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Publication number
EP3500734B1
EP3500734B1 EP17736963.4A EP17736963A EP3500734B1 EP 3500734 B1 EP3500734 B1 EP 3500734B1 EP 17736963 A EP17736963 A EP 17736963A EP 3500734 B1 EP3500734 B1 EP 3500734B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
circuit
fluid
heat exchanger
pump
working fluid
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.)
Active
Application number
EP17736963.4A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP3500734A1 (fr
Inventor
Arthur Leroux
Antonin PAUCHET
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
Enogia SA
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Enogia SA
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, Enogia SA filed Critical IFP Energies Nouvelles IFPEN
Publication of EP3500734A1 publication Critical patent/EP3500734A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP3500734B1 publication Critical patent/EP3500734B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
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    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
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    • F05D2210/10—Kind or type
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    • F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
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    • F22B37/02—Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/48—Devices or arrangements for removing water, minerals or sludge from boilers ; Arrangement of cleaning apparatus in boilers; Combinations thereof with boilers
    • F22B37/50—Devices or arrangements for removing water, minerals or sludge from boilers ; Arrangement of cleaning apparatus in boilers; Combinations thereof with boilers for draining or expelling water

Definitions

  • the present invention relates to a closed circuit operating according to a Rankine cycle with a device for emergency shutdown of this circuit as well as to a method using a circuit with such a device.
  • the Rankine cycle is a thermodynamic cycle by which heat from an external heat source is transferred to a closed circuit which contains a working fluid. During the cycle, the working fluid undergoes phase changes (liquid/vapor).
  • This type of cycle generally breaks down into a step during which the working fluid used in liquid form is compressed isentropically, followed by a step where this compressed liquid fluid is heated and vaporized in contact with a heat source.
  • This vapor is then expanded, during another stage, in an expansion machine, then, in a final stage, this expanded vapor is cooled and condensed in contact with a cold source.
  • the circuit comprises at least one pump-compressor for circulating and compressing the fluid in liquid form, an evaporator which is swept by a hot fluid to carry out at least partial vaporization of the compressed fluid, an expansion machine to expand the steam, such as a turbine, which transforms the energy of this steam into another energy, such as mechanical or electrical energy, and a condenser by which the heat contained in the steam is given up to a cold source, generally outside air, or even a cooling water circuit, which sweeps this condenser, to transform this vapor into a fluid in liquid form.
  • a pump-compressor for circulating and compressing the fluid in liquid form
  • an evaporator which is swept by a hot fluid to carry out at least partial vaporization of the compressed fluid
  • an expansion machine to expand the steam such as a turbine, which transforms the energy of this steam into another energy, such as mechanical or electrical energy
  • a condenser by which the heat contained in the steam is given up to a cold source, generally outside air, or
  • the fluid used is generally water but other types of fluid, for example organic fluids or mixtures of organic fluids, can also be used.
  • the cycle is then called Organic Rankine Cycle or ORC (Organic Rankine Cycle).
  • the working fluids can be butane, ethanol, hydrofluorocarbons, ammonia, carbon dioxide...
  • the hot fluid to carry out the vaporization of the compressed fluid can come from various hot sources, such as a cooling liquid (from a combustion engine, from an industrial process, from a furnace, etc. .), hot gases resulting from combustion (smokes from an industrial process, from a boiler, exhaust gases from a combustion engine or turbine, etc.), from a flow of heat from solar thermal collectors, etc.
  • a cooling liquid from a combustion engine, from an industrial process, from a furnace, etc. .
  • hot gases resulting from combustion smoke from an industrial process, from a boiler, exhaust gases from a combustion engine or turbine, etc.
  • solar thermal collectors etc.
  • the Rankine cycle circuit thus makes it possible to improve the efficiency of the engine.
  • the presence of working fluid in the liquid state in at least part of this evaporator or further in the circuit leads to the production of steam during several tens of seconds after the activation of the emergency stop.
  • the second valve then allows the working fluid vapor present upstream of the expansion machine to be diverted directly downstream of this machine.
  • the expansion machine being thus short-circuited, the circuit is no longer able to produce energy and the production of energy quickly stops.
  • this second valve is located in a branch of the circuit where the working fluid is both under pressure, hot and in gaseous form. It must therefore be chosen accordingly with materials resistant to temperature and pressure and with a size, in particular at the level of its passage section, adapted to allow the flow of steam to pass in the event of its actuation.
  • the present invention as defined in claim 1 proposes to remedy the above drawbacks by proposing a closed circuit with a device which makes it possible to avoid, in the event of an emergency shutdown of this circuit, the influx of fluid work vaporized at the entrance of the expansion machine.
  • the invention relates to a closed circuit operating according to a Rankine cycle, said circuit comprising at least one circulation pump and compression with an inlet and an outlet for a working fluid in liquid form, a heat exchanger swept by a hot source for the evaporation of said fluid circulating between an inlet and an outlet of said heat exchanger, fluid expansion means in vapor form, a cooling exchanger swept by a cold source for the condensation of the working fluid circulating between an inlet and an outlet of said cooling exchanger, a working fluid reservoir, and working fluid circulation pipes to make circulating said fluid between the pump, the heat exchanger, the expansion means, the condenser and the tank, furthermore the circuit comprises a device for draining the fluid contained in the heat exchanger in the event of an emergency stop of said circuit, and the circuit comprises a non-return valve placed in the vicinity of the pump outlet and a filter.
  • the drain device may comprise a drain pipe connected to two connection points of the circuit and carrying a valve means.
  • the valve means can be a two-way valve placed on the conduit between the two connection points.
  • the valve means can be a three-way valve placed on one of the connection points with the circuit.
  • the valve means can be a solenoid valve
  • connection points can be placed between the pump and the heat exchanger and the other of the connection points can be placed between the cooling exchanger and the pump.
  • the circuit may include a device for short-circuiting the hot source passing through the heat exchanger.
  • the invention as defined in claim 8 also relates to a method for controlling a closed circuit operating according to a Rankine cycle, said circuit comprising at least one circulation and compression pump with an inlet and an outlet for a fluid working in liquid form, a heat exchanger swept by a hot source for the evaporation of said fluid circulating between an inlet and an outlet of said heat exchanger, means for expanding the fluid in vapor form, a cooling exchanger swept by a cold source for condensing the working fluid circulating between an inlet and an outlet of said cooling exchanger, a working fluid reservoir, a non-return valve placed in the vicinity of the pump outlet and a filter, and circulation pipes for the working fluid for circulating said fluid between the pump, the heat exchanger, the expansion means, the condenser and the reservoir , in the event of an emergency shutdown of the circuit, the fluid contained in the heat exchanger is transferred to the part of the circuit between the upstream of the pump and the tank.
  • the fluid contained in the heat exchanger can be transferred to the reservoir.
  • the fluid contained in the heat exchanger can be transferred to the pipe connecting the upstream of the pump and the reservoir.
  • the circulation of the working fluid in the drain pipe can be controlled by a valve means.
  • Hot source circulation can be bypassed to bypass the heat exchanger
  • the figures 1 and 2 illustrate an embodiment of a closed Rankine cycle circuit 10 which is advantageously of the ORC (Organic Rankine Cycle) type and which uses an organic working fluid or mixtures of organic fluids, such as butane, ethanol, hydrofluorocarbons...
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • closed circuit can also work with a fluid such as ammonia, water, carbon dioxide...
  • This circuit comprises a circulation and compression pump 12 for the working fluid, referred to as the circulation pump in the remainder of the description, with an inlet 14 for the working fluid in liquid form and an outlet 16 for this working fluid also in liquid form. liquid but compressed under high pressure.
  • This pump is advantageously driven in rotation by any means; such as an electric motor (not shown).
  • This circuit also comprises a heat exchanger 18, called an evaporator, through which the compressed working fluid passes between an inlet 20 of this liquid fluid and an outlet 22 through which the working fluid emerges from this evaporator in the form of compressed vapour.
  • This evaporator is also traversed by a hot source 23, in liquid or gaseous form, transported by a pipe 24 between an inlet 25a and an outlet 25b so as to be able to transfer its heat to the working fluid.
  • This hot source can, for example, come from the exhaust gases of an internal combustion engine, from the cooling fluid of an internal combustion engine, from the cooling fluid of an industrial furnace, or from the heat transfer fluid heated in installations. heat or by a burner.
  • This circuit also includes an expansion machine 26 receiving through its inlet 28 the working fluid in the form of high pressure compressed vapour, this fluid emerging through the outlet 30 of this machine in the form of low pressure expanded vapour.
  • this expansion machine is in the form of an expansion turbine, the shaft of the rotor of which is driven in rotation by the working fluid in the form of vapor by controlling in rotation a connecting shaft 32.
  • this shaft makes it possible to transmit the energy recovered from the working fluid to any transformer device, such as for example an electric generator (not shown).
  • the circuit further comprises a cooling exchanger 34, or condenser, with an inlet 36 for the expanded low-pressure steam and an outlet 38 for the low-pressure working fluid transformed into liquid form after it has passed through this condenser.
  • a cooling exchanger 34 or condenser
  • This condenser is swept by a cold source, usually a flow of ambient air or cooling water, so as to cool the expanded vapor so that it condenses and turns into a liquid.
  • any other cold source of cooling such as another cooling liquid or cold air, can be used to ensure the condensation of the vapor.
  • This circuit also comprises, between the condenser and the circulation pump, a closed tank 40 which makes it possible to keep the working fluid in the liquid state.
  • the circuit comprises a non-return valve 42 placed near the outlet 16 of the pump 12 and a filter (not shown), such as a cartridge filter, to filter the working fluid leaving the reservoir before it is introduced into the pump.
  • a filter such as a cartridge filter
  • valve pipe 44 valve pipe 44
  • valve line 46 valve line 46
  • turbine line 48 turbine line 48
  • this turbine with the condenser condenser line 50
  • tank line 52 tank with the pump
  • pump line 54 pump line 54
  • This circuit further comprises a device 56 for emptying the fluid contained in the heat exchanger 18, which makes it possible, in the event of an emergency shutdown of the circuit, to transfer the pressurized liquid contained in this exchanger to the reservoir or to the part of the circuit located between this tank and the upstream of the pump.
  • this drain device 56 comprises a drain pipe 58 which originates at a connection point 60 of the circuit upstream of the evaporator and downstream of the pump (considering the direction of circulation of the working fluid according to the arrows F) on the pipe or 46 where the fluid is in liquid form and ends at another connection point 62 of this circuit upstream of the pump and downstream of the condenser on one of the pipes 52 or 54 where the fluid is also in liquid form.
  • this conduit originates at a point 60 of the circuit between the non-return valve 42 and the inlet 20 of the evaporator and ends at a point 62 of the circuit placed between the outlet of the tank 40 and inlet 14 of pump 12.
  • valve means 64 makes it possible to control the circulation of the working fluid in liquid form which circulates in this conduit.
  • This valve means is a two-way valve 66 in the case of the figure 1 and is located on conduit 58 at a distance from the two connection points.
  • valve means 64 is a three-way valve 68 which is placed on the connection point 60 with the pipe 46.
  • valves can be controlled by any known means, such as electric, pneumatic, hydraulic means, etc.
  • these valves can also be solenoid valves, in particular solenoid valves.
  • this drain pipe and the valve which controls its actuation are only subjected to a moderate temperature.
  • the choice of materials for this valve is therefore less restrictive.
  • the drain device 56 is provided to pass the working fluid in the liquid state between the pipes 46 and 62 makes it possible to use a valve of smaller size than in the usual architectures, this which reduces its cost and size.
  • a short-circuit device 70 of the hot source 24 which crosses the evaporator 18 can be placed on the path of this source so that it bypasses this evaporator.
  • this device comprises a pipe 72 for bypassing the evaporator located between the inlet 25a of the hot source of the evaporator and its outlet 25b.
  • This pipe carries a valve means 74, here a three-way valve, which is placed on the pipe 24 upstream of the evaporator and at the junction with the pipe 72, thus making it possible to control the circulation of the hot source in this pipe. bypass.
  • valve means 64 this valve can be controlled by any known means, such as electric, pneumatic, hydraulic means, etc.
  • the circuit control unit which any closed circuit usually has, stops the pump 12.
  • the drain device 56 is activated by commanding the valve means 64 to open so that the working fluid circulates in the conduit 58 in the direction indicated by the arrow C. This thus makes it possible to drain the fluid contained in the evaporator 18 towards the of the circuit (here branch 54) located between the pump and the tank so that this fluid is then introduced into this tank.
  • this control unit activates the short-circuit device 70 of the evaporator by controlling the valve 74 in a position such that the heat source bypasses the evaporator.
  • valve 42 which prevents the working fluid from circulating towards the outlet of the pump.
  • this emergency shutdown procedure can be put into action through various means, such as detection of circuit malfunction (overpressure, overheating, etc.), manual shutdown, etc.

Landscapes

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Description

  • La présente invention se rapporte à un circuit fermé fonctionnant selon un cycle de Rankine avec un dispositif pour l'arrêt d'urgence de ce circuit ainsi qu'à un procédé utilisant un circuit avec un tel dispositif.
  • Comme cela est largement connu, le cycle de Rankine est un cycle thermodynamique par lequel de la chaleur provenant d'une source de chaleur externe est transmise à un circuit fermé qui contient un fluide de travail. Au cours du cycle, le fluide de travail subit des changements de phase (liquide/vapeur).
  • Ce type de cycle se décompose généralement en une étape durant laquelle le fluide de travail utilisé sous forme liquide, est comprimé de manière isentropique, suivie d'une étape où ce fluide liquide comprimé est chauffé et vaporisé au contact d'une source de chaleur.
  • Cette vapeur est ensuite détendue, au cours d'une autre étape, dans une machine de détente, puis, dans une dernière étape, cette vapeur détendue est refroidie et condensée au contact d'une source froide.
  • Pour réaliser ces différentes étapes, le circuit comprend au moins une pompe-compresseur pour faire circuler et comprimer le fluide sous forme liquide, un évaporateur qui est balayé par un fluide chaud pour réaliser la vaporisation au moins partielle du fluide comprimé, une machine de détente pour détendre la vapeur, telle qu'une turbine, qui transforme l'énergie de cette vapeur en une autre énergie, comme une énergie mécanique ou électrique, et un condenseur grâce auquel la chaleur contenue dans la vapeur est cédée à une source froide, généralement de l'air extérieur, ou encore un circuit d'eau de refroidissement, qui balaye ce condenseur, pour transformer cette vapeur en un fluide sous forme liquide.
  • Dans ce type de circuit, le fluide utilisé est généralement de l'eau mais d'autres types de fluide, par exemple des fluides organiques ou des mélanges de fluides organiques, peuvent également être utilisés. Le cycle est alors appelé Cycle de Rankine Organique ou ORC (Organic Rankine Cycle).
  • A titre d'exemple, les fluides de travail peuvent être du butane, de l'éthanol, des hydrofluorocarbures, de l'ammoniac, du dioxyde de carbone...
  • Comme cela est bien connu, le fluide chaud pour réaliser la vaporisation du fluide comprimé peut provenir de sources chaudes variées, telles qu'un liquide de refroidissement (d'un moteur à combustion, d'un processus industriel, d'un four, etc.), des gaz chauds résultant d'une combustion (fumées d'un processus industriel, d'une chaudière, gaz d'échappement d'un moteur à combustion ou d'une turbine, etc.), d'un flux de chaleur issu de capteurs solaires thermiques, etc.
  • Plus particulièrement, il est connu, notamment par le document FR 2 884 555 , d'utiliser l'énergie calorifique véhiculée par les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, en particulier celui utilisé pour des véhicules automobiles, comme source chaude pour assurer le chauffage et la vaporisation du fluide traversant l'évaporateur.
  • Ceci permet d'améliorer l'efficacité énergétique de ce moteur en récupérant une grande partie de l'énergie perdue à l'échappement pour la transformer en une énergie qui peut être utilisée pour le véhicule automobile au travers du circuit à cycle de Rankine.
  • Le circuit à cycle de Rankine permet ainsi d'améliorer le rendement du moteur.
  • Les documents US 2014/075934 A1 , US 2015/013338 A1 , US 6 237 542 B1 et JP 2001 033004 A montrent des circuits fermés selon le préambule de la revendication 1.
  • Dans ce type de circuit, en cas de survenance d'un problème, qu'il soit externe au circuit fermé ou interne à ce dernier, il peut s'avérer nécessaire de procéder à un arrêt d'urgence du circuit de manière à ce qu'il ne produise plus d'énergie.
  • Pour ce faire, il est usuel d'utiliser un ou deux court-circuits avec des vannes de court-circuit permettant, l'une de court-circuiter l'arrivée de fluide chaud dans l'évaporateur et l'autre de court-circuiter le passage du fluide de travail vaporisé dans la machine de détente.
  • L'utilisation d'une configuration avec un simple court-circuit de l'évaporateur présente un inconvénient.
  • En effet, compte tenu des inerties thermiques du circuit et notamment celle de l'évaporateur, la présence de fluide de travail à l'état liquide dans au moins une partie de cet évaporateur ou plus loin dans le circuit conduit à la production de vapeur pendant encore plusieurs dizaines de secondes après l'activation de l'arrêt d'urgence.
  • En outre, la présence de vapeur de fluide de travail sous pression persiste en amont de la machine de détente.
  • On ne parvient donc pas à stopper rapidement (c'est-à-dire en quelques secondes) la production d'énergie en sortie de la machine de détente.
  • La deuxième vanne permet alors de dériver la vapeur de fluide de travail présente en amont de la machine de détente directement vers l'aval de cette machine. La machine de détente étant ainsi court-circuitée, le circuit n'est plus en mesure de produire de l'énergie et la production d'énergie stoppe rapidement.
  • Cependant, cette deuxième vanne est située dans une branche du circuit où le fluide de travail est à la fois sous pression, chaud et sous forme gazeuse. Elle doit donc être choisie en conséquence avec des matériaux résistant à la température et à la pression et avec une taille, notamment au niveau de sa section de passage, adaptée pour laisser passer le flux de vapeur en cas de sa mise en action.
  • La présente invention tel que définie dans la revendication 1 se propose de remédier aux inconvénients ci-dessus en proposant un circuit fermé avec un dispositif qui permet d'éviter, en cas d'arrêt d'urgence de ce circuit, l'afflux de fluide travail vaporisé à l'entrée de la machine de détente.
  • A cet effet, l'invention concerne un circuit fermé fonctionnant selon un cycle de Rankine, ledit circuit comprenant au moins une pompe de circulation et de compression avec une entrée et une sortie d'un fluide de travail sous forme liquide, un échangeur de chaleur balayé par une source chaude pour l'évaporation dudit fluide circulant entre une entrée et une sortie dudit échangeur de chaleur, des moyens de détente du fluide sous forme vapeur, un échangeur de refroidissement balayé par une source froide pour la condensation du fluide de travail circulant entre une entrée et une sortie dudit échangeur de refroidissement, un réservoir de fluide de travail, et des conduites de circulation du fluide de travail pour faire circuler ledit fluide entre la pompe, l'échangeur de chaleur, les moyens de détente, le condenseur et le réservoir, en outre le circuit comprend un dispositif de vidange du fluide contenu dans l'échangeur de chaleur en cas d'arrêt d'urgence dudit circuit, et le circuit comprend un clapet anti-retour placé au voisinage de la sortie de pompe et un filtre.
  • Le dispositif de vidange peut comprendre un conduit de vidange relié à deux points de liaison du circuit et portant un moyen de vannage.
  • Le moyen de vannage peut être une vanne à deux voies placée sur le conduit entre les deux points de liaison.
  • Le moyen de vannage peut être une vanne à trois voies placée sur l'un des points de liaison avec le circuit.
    • Le moyen de vannage peut être une électrovanne
  • L'un des points de liaison peut être placé entre la pompe et l'échangeur de chaleur et l'autre des points de liaison peut être placé entre l'échangeur de refroidissement et la pompe.
  • Le circuit peut comprendre un dispositif de court-circuit de la source chaude traversant l'échangeur de chaleur.
  • L'invention tel que définie dans la revendication 8 concerne également un procédé de contrôle d'un circuit fermé fonctionnant selon un cycle de Rankine, ledit circuit comprenant au moins une pompe de circulation et de compression avec un entrée et une sortie d'un fluide de travail sous forme liquide, un échangeur de chaleur balayé par une source chaude pour l'évaporation dudit fluide circulant entre une entrée et une sortie dudit échangeur de chaleur, des moyens de détente du fluide sous forme vapeur, un échangeur de refroidissement balayé par une source froide pour la condensation du fluide de travail circulant entre une entrée et une sortie dudit échangeur de refroidissement, un réservoir de fluide de travail, un clapet anti-retour placé au voisinage de la sortie de pompe et un filtre, et des conduites de circulation du fluide de travail pour faire circuler ledit fluide entre la pompe, l'échangeur de chaleur, les moyens de détente, le condenseur et le réservoir, en cas d'arrêt d'urgence du circuit, on transfère le fluide contenu dans l'échangeur de chaleur vers la partie du circuit entre l'amont de la pompe et le réservoir.
  • On peut transférer le fluide contenu dans l'échangeur de chaleur vers le réservoir.
  • On peut transférer le fluide contenu dans l'échangeur de chaleur vers la conduite reliant l'amont de la pompe et le réservoir.
  • On peut contrôler la circulation du fluide de travail dans le conduit de vidange par un moyen de vannage.
  • On peut court-circuiter la circulation de la source chaude pour qu'elle contourne l'échangeur de chaleur
  • Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées :
    • la figure 1 qui illustre un circuit fermé fonctionnant selon un cycle de Rankine selon l'invention et
    • la figure 2 qui montre une variante du circuit fermé fonctionnant selon un cycle de Rankine de la figure 1.
  • Les figures 1 et 2 illustrent un exemple de réalisation d'un circuit fermé à cycle de Rankine 10 qui est avantageusement de type ORC (Organic Rankine Cycle) et qui utilise un fluide de travail organique ou des mélanges de fluides organiques, comme du butane, de l'éthanol, des hydrofluorocarbures...
  • Il est bien entendu que le circuit fermé peut également fonctionner avec un fluide comme de l'ammoniac, de l'eau, du dioxyde de carbone...
  • Ce circuit comprend une pompe de circulation et de compression 12 du fluide de travail, dénommée pompe de circulation dans la suite de la description, avec une entrée 14 du fluide de travail sous forme liquide et une sortie 16 de ce fluide de travail également sous forme liquide mais comprimé sous une pression élevée. Cette pompe est avantageusement entraînée en rotation par tous moyens; comme un moteur électrique (non représenté).
  • Ce circuit comporte aussi un échangeur de chaleur 18, dénommé évaporateur, traversé par le fluide de travail comprimé entre une entrée 20 de ce fluide liquide et une sortie 22 au travers de laquelle le fluide de travail ressort de cet évaporateur sous forme de vapeur comprimée. Cet évaporateur est également parcouru par une source chaude 23, sous forme liquide ou gazeuse, transportée par un tuyau 24 entre une entrée 25a et une sortie 25b de manière à pouvoir céder sa chaleur au fluide de travail.
  • Cette source chaude peut par exemple provenir des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, du fluide de refroidissement d'un moteur à combustion interne, du fluide de refroidissement d'un four industriel, ou du fluide caloporteur chauffé dans des installations thermiques ou par un brûleur.
  • Ce circuit comporte également une machine de détente 26 recevant par son entrée 28 le fluide de travail sous forme de vapeur comprimée à haute pression, ce fluide ressortant par la sortie 30 de cette machine sous forme de vapeur détendue à basse pression.
  • Avantageusement, cette machine de détente est sous la forme d'une turbine de détente dont l'arbre du rotor est entraîné en rotation par le fluide de travail sous forme de vapeur en commandant en rotation un arbre de liaison 32. De manière préférentielle, cet arbre permet de transmettre l'énergie récupérée du fluide de travail à tout dispositif transformateur, comme par exemple une génératrice électrique (non représentée).
  • Le circuit comporte encore un échangeur de refroidissement 34, ou condenseur, avec une entrée 36 pour la vapeur basse pression détendue et une sortie 38 pour le fluide de travail basse pression transformé sous forme liquide après son passage dans ce condenseur.
  • Ce condenseur est balayé par une source froide, généralement un flux d'air ambiant ou d'eau de refroidissement, de manière à refroidir la vapeur détendue pour qu'elle se condense et se transforme en un liquide.
  • Bien entendu, toute autre source froide de refroidissement, comme un autre liquide de refroidissement ou de l'air froid, peut être utilisée pour assurer la condensation de la vapeur.
  • Ce circuit comporte également, entre le condenseur et la pompe de circulation, un réservoir fermé 40 qui permet de conserver le fluide de travail à l'état liquide.
  • Selon l'invention le circuit comprend un clapet anti retour 42 placé au voisinage de la sortie 16 de la pompe 12 et un filtre (non représenté), comme un filtre à cartouche, pour filtrer le fluide de travail sortant du réservoir avant son introduction dans la pompe.
  • Bien entendu, les différents éléments du circuit sont reliés entre eux par des conduites de circulation de fluide 44, 46, 48, 50, 52, 54, permettant de relier successivement la pompe avec le clapet (conduite clapet 44), le clapet avec l'évaporateur (conduite d'évaporateur 46), l'évaporateur avec la turbine (conduite de turbine 48), cette turbine avec le condenseur (conduite de condenseur 50), le condenseur avec le réservoir (conduite de réservoir 52), le réservoir à la pompe (conduite de pompe 54) pour que le fluide de travail circule selon un sens horaire comme indiqué sur les figures par les flèches F.
  • Ce circuit comprend en outre un dispositif de vidange 56 du fluide contenu dans l'échangeur de chaleur 18, qui permet, en cas d'arrêt d'urgence du circuit, de transférer le liquide sous pression contenu dans cet échangeur vers le réservoir ou vers la partie du circuit située entre ce réservoir et l'amont de la pompe.
  • A titre d'exemple illustré sur la figure, ce dispositif de vidange 56 comprend un conduit de vidange 58 qui prend naissance en un point de liaison 60 du circuit en amont de l'évaporeur et en aval de la pompe (en considérant le sens de circulation du fluide travail selon les flèches F) sur la conduite ou 46 où le fluide est sous forme liquide et aboutit à un autre point de liaison 62 de ce circuit en amont de la pompe et en aval du condenseur sur une des conduites 52 ou 54 où le fluide est également sous forme liquide.
  • Plus précisément et comme mieux illustré sur les figures, ce conduit prend naissance en un point 60 du circuit entre le clapet anti-retour 42 et l'entrée 20 de l'évaporateur et aboutit en un point 62 du circuit placé entre la sortie du réservoir 40 et l'entrée 14 de la pompe 12.
  • Dans l'exemple des figures, un moyen de vannage 64 permet de contrôler la circulation du fluide de travail sous forme liquide qui circule dans ce conduit.
  • Ce moyen de vannage est une vanne à deux voies 66 dans le cas de la figure 1 et est située sur le conduit 58 à distance des deux points de liaison.
  • Tel qu'illustré sur la figure 2, le moyen de vannage 64 est une vanne à trois voies 68 qui est placée sur le point de liaison 60 avec la conduite 46.
  • Ces deux types de vannes peuvent être commandés par tous moyens connus, tels que des moyens électriques, pneumatique, hydraulique, etc.
  • Avantageusement ces vannes peuvent également être des électrovannes, en particulier des électrovannes à solénoïde.
  • Ainsi, ce conduit de vidange et la vanne qui contrôle sa mise en action ne sont soumis qu'à une température modérée. Le choix des matériaux pour cette vanne est donc moins contraignant.
  • De plus, le fait que le dispositif de vidange 56 soit prévu pour faire passer le fluide de travail à l'état liquide entre les conduites 46 et 62 permet d'avoir recours à une vanne de taille plus petite que dans les architectures habituelles, ce qui permet de réduire son coût et son encombrement.
  • Avantageusement mais non obligatoirement, un dispositif de court-circuit 70 de la source chaude 24 qui traverse l'évaporateur 18 (illustré en traits pointillés sur les figures) peut être placé sur le trajet de cette source de manière à ce qu'elle contourne cet évaporateur. A titre d'exemple, ce dispositif comprend une canalisation 72 de contournement de l'évaporateur située entre l'entrée 25a de la source chaude de l'évaporateur et sa sortie 25b. Cette canalisation porte un moyen de vannage 74, ici une vanne trois voies, qui est placé sur le tuyau 24 en amont de l'évaporateur et à la jonction avec la canalisation 72 en permettant ainsi de contrôler la circulation de la source chaude dans cette canalisation de contournement.
  • Bien entendu, comme pour le moyen de vannage 64, cette vanne peut être commandée par tous moyens connus, tels que des moyens électriques, pneumatiques, hydrauliques, etc.
  • En cas d'activation de la procédure d'arrêt d'urgence, l'unité de contrôle du circuit, que possède habituellement tout circuit fermé, procède à un arrêt de la pompe 12. Lors de cet arrêt d'urgence le dispositif de vidange 56 est activé en commandant en ouverture le moyen de vannage 64 pour que le fluide de travail circule dans le conduit 58 selon le sens indiqué par la flèche C. Ceci permet de réaliser ainsi une vidange du fluide contenu dans l'évaporateur 18 vers la partie du circuit (ici la branche 54) située entre la pompe et le réservoir de manière à ce que ce fluide soit ensuite introduit dans ce réservoir.
  • Additionnellement, cette unité de contrôle met en action le dispositif de court-circuit 70 de l'évaporateur en commandant la vanne 74 dans une position telle que la source chaude contourne l'évaporateur.
  • Ainsi, sous l'effet de la pression du fluide de travail présent dans l'évaporateur 18 et dans les conduites 46 et 48 entre la sortie 16 de pompe 12 (et son clapet anti-retour 42) et l'entrée 28 de la turbine 26, l'ouverture de la vanne du dispositif de vidange conduit à faire refluer une grande partie du fluide de travail, présent à l'état liquide dans l'évaporateur, vers le réservoir au travers du conduit 58.
  • Ceci est notamment réalisé grâce à la présence du clapet 42 qui empêche le fluide de travail de circuler vers la sortie de la pompe.
  • Privée ainsi d'une bonne partie de son alimentation en fluide de travail, la production de vapeur au sein de l'évaporateur disparait rapidement. La turbine est à son tour privée d'une alimentation en fluide de travail gazeux et la production d'énergie du circuit s'arrête rapidement.
  • Il est à noter que cette procédure d'arrêt d'urgence peut être mise en action au travers de différents moyens, comme une détection de dysfonctionnement du circuit (surpression, surchauffe, ...), un arrêt manuel, etc.

Claims (12)

  1. Circuit fermé (10) fonctionnant selon un cycle de Rankine, ledit circuit comprenant au moins une pompe de circulation et de compression (12) avec une entrée (14) et une sortie (16) d'un fluide de travail sous forme liquide, un échangeur de chaleur (18) balayé par une source chaude (23) pour l'évaporation dudit fluide circulant entre une entrée (20) et une sortie (22) dudit échangeur de chaleur, des moyens de détente (26) du fluide sous forme vapeur, un échangeur de refroidissement (34) balayé par une source froide pour la condensation du fluide de travail circulant entre une entrée (36) et une sortie (38) dudit échangeur de refroidissement, un réservoir de fluide de travail (40), et des conduites de circulation du fluide de travail (44, 46, 48,50, 52, 54) pour faire circuler ledit fluide entre la pompe, l'échangeur de chaleur, les moyens de détente, le condenseur et le réservoir, en outre le circuit comprend un dispositif de vidange (56) du fluide contenu dans l'échangeur de chaleur (18) en cas d'arrêt d'urgence dudit circuit, caractérisé en ce que le circuit comprend un clapet anti-retour (42) placé au voisinage de la sortie de pompe (12) et un filtre.
  2. Circuit selon la revendication 1, où le dispositif de vidange comprend un conduit de vidange (58) relié à deux points de liaison (60, 62) du circuit et portant un moyen de vannage (66, 68).
  3. Circuit selon la revendication 2, où le moyen de vannage est une vanne à deux voies (66) placée sur le conduit (58) entre les deux points de liaison (60, 62).
  4. Circuit selon la revendication 2, où le moyen de vannage est une vanne à trois voies (66) placée sur l'un (60) des points de liaison avec le circuit.
  5. Circuit selon l'une des revendications 2 à 4, où le moyen de vannage comprend une électrovanne.
  6. Circuit selon l'une des revendications 2 à 5, où l'un (60) des points de liaison est placé entre la pompe (12) et l'échangeur de chaleur (18) et l'autre (62) des points de liaison est placé entre l'échangeur de refroidissement (34) et la pompe (12).
  7. Circuit selon l'une des revendications précédentes, où le circuit comprend un dispositif de court-circuit (70) de la source chaude (23) traversant l'échangeur de chaleur (18).
  8. Procédé de contrôle d'un circuit fermé (10) fonctionnant selon un cycle de Rankine, ledit circuit comprenant au moins une pompe de circulation et de compression (12) avec un entrée (14) et une sortie (16) d'un fluide de travail sous forme liquide, un échangeur de chaleur (18) balayé par une source chaude (23) pour l'évaporation dudit fluide circulant entre une entrée (20) et une sortie (22) dudit échangeur de chaleur, des moyens de détente (26) du fluide sous forme vapeur, un échangeur de refroidissement (34) balayé par une source froide pour la condensation du fluide de travail circulant entre une entrée (36) et une sortie (38) dudit échangeur de refroidissement, un réservoir de fluide de travail (40), un clapet anti-retour (42) placé au voisinage de la sortie de pompe (12) et un filtre, et des conduites de circulation du fluide de travail (44, 46, 48, 50, 52, 54) pour faire circuler ledit fluide entre la pompe, l'échangeur de chaleur, les moyens de détente, le condenseur et le réservoir, où en cas d'arrêt d'urgence du circuit, on transfère le fluide contenu dans l'échangeur de chaleur (18) vers la partie (54) du circuit entre l'amont de la pompe et le réservoir.
  9. Procédé selon la revendication 8, selon lequel on transfère le fluide contenu dans l'échangeur de chaleur (18) vers le réservoir.
  10. Procédé selon la revendication 8, selon lequel on transfère le fluide contenu dans l'échangeur de chaleur (18) vers la conduite (54) reliant l'amont de la pompe et le réservoir au travers d'un conduit de vidange (58).
  11. Procédé selon la revendication 10, selon lequel on contrôle la circulation du fluide de travail dans le conduit de vidange (58) par un moyen de vannage (66, 68).
  12. Procédé selon l'une des revendications 8 à 11, selon lequel on court-circuite la circulation de la source chaude (23) pour qu'elle contourne l'échangeur de chaleur (18).
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