FR3021070A1

FR3021070A1 - Circuit de fluide frigorigene pour la recuperation d'energie sur les pertes thermiques d'un moteur a combustion interne

Info

Publication number: FR3021070A1
Application number: FR1454387A
Authority: FR
Inventors: Laurent Labaste-Mauhe; Yulia Glavatskaya; Bertrand Nicolas; Samy Hammi; Mohamed Yahia; Abdelmajid Taklanti; Regine Haller; Jin-Ming Liu
Original assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Current assignee: Valeo Systemes Thermiques SAS
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2015-11-20
Anticipated expiration: 2034-05-16
Also published as: FR3021070B1; WO2015173075A1

Abstract

L'invention concerne un circuit de fluide frigorigène, en particulier pour la récupération et la transformation des rejets thermiques d'un véhicule automobile, qui comporte un premier échangeur de chaleur (1) formant un bouilleur, un moyen de détente (5) apte à produire un couple mécanique à partir du travail de détente, et des moyens aptes à faire circuler le fluide frigorigène selon au moins une boucle traversant successivement le premier échangeur de chaleur (1) et le moyen de détente (5). Le circuit comporte des moyens d'apport (9) de fluide frigorigène liquide dans le bouilleur (1) ou entre le premier échangeur de chaleur (1) et le moyen de détente (5).

Description

Circuit de fluide frigorigène pour la récupération d'énergie sur les pertes thermiques d'un moteur à combustion interne La présente invention concerne un circuit de fluide frigorigène pour la récupération et la transformation de l'énergie thermique produite par un véhicule automobile. Comme cela est illustré à la figure 1, un tel circuit comporte classiquement un premier échangeur de chaleur 1 formant un bouilleur, un deuxième échangeur de chaleur 2 formant un condenseur, un troisième 10 échangeur de chaleur 3 formant un sous-refroidisseur, une pompe 4, un moyen de détente 5 apte à transformer le travail de détente en un couple mécanique, un réservoir de fluide frigorigène 6 et des moyens aptes à faire circuler le fluide frigorigène selon au moins une boucle traversant successivement la pompe 4, le bouilleur 1, le moyen de détente 5, le condenseur 2, le réservoir 6 et le sous-refroidisseur 3. Le moyen de détente 5 permet par exemple d'actionner un générateur électrique et produire ainsi de l'énergie électrique. Un tel mode de fonctionnement correspond à un cycle de Rankine. Le bouilleur 1 est par exemple apte à prélever des calories sur les gaz d'échappement du véhicule. Enfin, le condenseur 2 est destiné à refroidir et condenser le fluide frigorigène par l'air arrivant en face avant du véhicule. La figure 2 est un diagramme de Mollier illustrant schématiquement le fonctionnement du circuit de la figure 1. Sur ce diagramme, l'abscisse est formée par l'enthalpie 25 massique h et l'ordonnée est formée par la pression P du fluide frigorigène. Des points référencés il à i5 ont été reportés à la fois sur le diagramme de Mollier et sur le circuit de fluide frigorigène illustré à la figure 1 afin de faciliter la compréhension. Les phases du fluide frigorigène (liquide L; diphasique Di, c'est-à-dire liquide et vapeur ; vapeur V) sont 30 également indiquées sur le diagramme, ainsi que les différentes étapes du cycle (évaporation E, condensation CD, compression CP, détente D).

On constate que le fluide frigorigène issu du bouilleur 1 (point i2) est de la vapeur surchauffée. Or, certains moyens de détente nécessitent d'être traversés par du fluide frigorigène sous forme diphasique afin d'assurer leur bon fonctionnement, notamment pour des raisons de lubrification dudit moyen de détente. Le liquide est dit saturant, lorsqu'il se trouve à gauche sur la courbe référencée 7 à la figure 2 et la vapeur est dite saturante lorsqu'elle se trouve à droite sur la courbe référencée 8. Ces deux courbes délimitent un domaine dans lequel le fluide est diphasique, c'est-à-dire comporte à la fois une phase liquide et une phase vapeur. Dans le domaine diphasique, le titre massique en vapeur x d'un fluide est défini par la relation suivante x=mg/(ml+mg) où : - mg est la masse de vapeur saturante ; - ml est la masse de liquide saturant.

Le titre x peut également être désigné par la relation x = (hm - hl) / (hg- hl), où : - hm est l'enthalpie massique du fluide diphasique ; - hl est l'enthalpie massique du liquide saturant ; - hg est l'enthalpie de vapeur saturante.

Le titre massique définit ainsi la quantité de gaz du fluide diphasique. Un titre égal à 1 indique que le fluide ne comporte que de la vapeur (sur la courbe 8), alors qu'un titre égal à 0 indique que le fluide ne comporte que du liquide. Afin d'assurer que le fluide traversant le moyen de détente 5 est à l'état diphasique, il est donc nécessaire de contrôler l'enthalpie du fluide frigorigène destiné à traverser le moyen de détente 5. On cherche par exemple à avoir un titre compris entre 0,8 et 0,95, en fonction des besoins. L'invention a notamment pour but d'apporter une solution simple, efficace et économique à ce problème.

A cet effet, elle propose un circuit de fluide frigorigène, en particulier pour la récupération et la transformation des rejets thermiques d'un véhicule automobile, qui comporte un premier échangeur de chaleur formant un bouilleur, un moyen de détente apte à produire un couple mécanique à partir du travail de détente, et des moyens aptes à faire circuler le fluide frigorigène selon au moins une boucle traversant successivement le premier échangeur de chaleur et le moyen de détente, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'apport de fluide frigorigène liquide dans le premier échangeur de chaleur ou entre le premier échangeur de chaleur et le moyen de détente. Le fluide frigorigène liquide a une enthalpie faible ce qui permet, lorsqu'il est mélangé à du fluide frigorigène en phase vapeur, d'abaisser l'enthalpie du mélange. En fonction du débit de fluide en phase vapeur issu du bouilleur et en fonction du débit de fluide en phase liquide qui est injecté, il est possible d'obtenir un fluide frigorigène diphasique, ayant un titre proche du titre visé pour le fonctionnement du moyen de détente, par exemple un titre compris entre 0,8 et 0,95. Selon une caractéristique de l'invention, le circuit comporte une zone de séparation apte à séparer la phase liquide de la phase gazeuse du fluide frigorigène, une zone de surchauffe apte à être traversée par la phase gazeuse de fluide frigorigène issue de la zone de séparation, et une zone de mélange apte à recevoir le fluide frigorigène sous forme gazeuse issu de la zone de surchauffe et apte à recevoir au moins une partie de la phase liquide du fluide frigorigène issue de la zone de séparation. Selon une caractéristique de l'invention, ladite zone de séparation, ladite zone de surchauffe et/ou ladite zone de mélange sont situées dans le premier échangeur de chaleur et/ou entre le premier échangeur de chaleur et le moyen de détente. Préférentiellement, dans ce cas, le circuit comporte des moyens de mesure de la pression et de la température, aptes à mesurer la pression et la température de la phase gazeuse du fluide frigorigène issu de la zone de surchauffe.

Selon une caractéristique de l'invention, le circuit comporte une source de fluide frigorigène. Le fluide frigorigène issu du premier échangeur de chaleur et le fluide frigorigène liquide issu de la source sont mélangés au niveau de la 5 zone de mélange. Préférentiellement, la source est un point du circuit haute pression au niveau duquel le fluide frigorigène se trouve à l'état liquide, de préférence à une enthalpie connue ou déterminable. Selon un aspect de l'invention, le circuit comporte un canal de 10 dérivation du fluide frigorigène reliant la zone de séparation à la zone de mélange. Selon un aspect de l'invention, le circuit comporte une pompe constituant les moyens aptes à faire circuler le fluide frigorigène, la boucle traversant successivement la pompe, le premier échangeur de chaleur et le 15 moyen de détente. Selon un aspect de l'invention, le circuit comporte un deuxième échangeur de chaleur formant un condenseur, la boucle traversant successivement la pompe, le premier échangeur de chaleur, le moyen de détente et le deuxième échangeur de chaleur. 20 Selon un aspect de l'invention, le circuit comporte un troisième échangeur de chaleur formant un sous-refroidisseur, la boucle traversant successivement la pompe, le premier échangeur de chaleur, le moyen de détente, le deuxième échangeur de chaleur et le troisième échangeur de chaleur. 25 Selon un aspect de l'invention, le circuit comporte un réservoir destiné à contenir du fluide réfrigérant liquide, ledit réservoir étant situé entre le deuxième échangeur de chaleur et le troisième échangeur de chaleur. Selon un aspect de l'invention, le circuit comporte des moyens 30 permettant de réguler la part du débit de fluide frigorigène liquide issu de la source et entrant dans la zone de mélange.

Selon un aspect de l'invention, ces moyens de régulation peuvent consister en une vanne à trois voies, disposée préférentiellement à la sortie de la pompe et qui répartit le débit total en deux débits secondaires.

L'invention concerne également un procédé de fonctionnement d'un circuit du type précité, dans lequel le fluide frigorigène circule selon une boucle traversant le premier échangeur de chaleur et le moyen de détente, du fluide frigorigène liquide étant injecté au niveau d'une zone de mélange située dans le premier échangeur de chaleur ou entre le premier échangeur de chaleur et le moyen de détente, de façon à ce que le fluide frigorigène issu de la zone de mélange et traversant le moyen de détente soit diphasique. Préférentiellement, le fluide frigorigène circule selon une boucle traversant la pompe, le premier échangeur de chaleur, le moyen de détente, le deuxième échangeur de chaleur, le réservoir et le troisième échangeur de chaleur. L'invention sera mieux comprise et d'autres détails, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante faite à titre d'exemple non limitatif en référence aux 20 dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un circuit de fluide frigorigène de l'art antérieur, - la figure 2 est un diagramme de Mollier illustrant le fonctionnement du circuit de la figure 1, 25 - les figures 3 et 4 sont des vues correspondant respectivement aux figures 1 et 2 et illustrant une première forme de réalisation de l'invention, - les figures 5 et 6 sont des vues correspondant respectivement aux figures 1 et 2 et illustrant une seconde forme de réalisation de 30 l'invention.

La figure 3 représente un circuit de fluide frigorigène selon une première forme de réalisation de l'invention. Celui-ci comporte un premier échangeur de chaleur 1 formant un bouilleur, un deuxième échangeur de chaleur 2 formant un condenseur, un troisième échangeur de chaleur 3 formant un sous-refroidisseur, une pompe volumétrique 4, un moyen de détente 5 apte à récupérer un couple mécanique à partir du travail de détente et couplé à un générateur électrique par exemple, ainsi qu'un réservoir 6. Le fluide frigorigène circule selon une boucle traversant successivement la pompe 4, le bouilleur 1, le moyen de détente 5, le condenseur 2, le réservoir 6 et le sous-refroidisseur 3. Le circuit comporte en outre une zone de mélange 9 au niveau de laquelle sont mélangés le fluide frigorigène issu du bouilleur 1 et du fluide frigorigène liquide issu d'une source 10. Le fluide frigorigène issu de la zone de mélange 9 traverse ensuite le moyen de détente 5. La source 10 peut par exemple être un point du circuit haute pression au niveau duquel le fluide frigorigène se trouve à l'état liquide, de préférence à une enthalpie connue ou déterminable, comme en sortie de la pompe 4 par exemple.

Le débit du fluide frigorigène à l'entrée du moyen de détente 5 peut être ajusté en faisant varier par exemple la cylindrée et/ou la vitesse de rotation de la pompe 4. Des moyens 11 permettant de réguler la part du débit de fluide frigorigène liquide issu de la source 10 et entrant dans la zone de mélange 9 peuvent également être prévus.

La figure 4 est un diagramme de Mollier illustrant schématiquement le fonctionnement du circuit de la figure 3. Des points référencés il à i7 ont été reportés à la fois sur le diagramme de Mollier et sur le circuit de fluide frigorigène illustré à la figure 3 afin de faciliter la compréhension. Les phases du fluide frigorigène (liquide L; diphasique Di, c'est-à-dire liquide et vapeur ; vapeur V) sont également indiquées sur le diagramme.

Comme cela est représenté à la figure 4, le fluide frigorigène liquide issu de la source 10 (point i3) a une enthalpie référencée h3 et un débit que l'on notera Q3. Par ailleurs, le fluide frigorigène issu du bouilleur 1 est de la vapeur surchauffée (point i2) qui a une enthalpie référencée h2 et un débit que l'on notera Q2. Comme indiqué précédemment, il est nécessaire que le fluide frigorigène entrant dans le moyen de détente 5 (point i4) soit diphasique, avec un titre x déterminé, par exemple compris entre 0,8 et 0,95. On rappelle que le titre x vérifie la relation x = (hm-h1)/(hg-h1), où : - hm est l'enthalpie du fluide diphasique ; - hl est l'enthalpie de liquide saturant ; - hg est l'enthalpie de vapeur saturante. Dans ce cas, hm = h4, les points hl et hg sont définis par le diagramme de Mollier et dépendent de la pression P1 des points i2, i3 et i4. En particulier, dans cet exemple, hl = h3 car le fluide frigorigène issu de la source est du liquide saturant ou sous refroidi s'il est issu de la pompe 4, dans ce cas h4=h1. La valeur de h2 peut être connue aisément, en mesurant la température et la pression du fluide frigorigène au point i2. La valeur visée de x étant connue, les valeurs hl et hg étant également connues, il est possible d'en déduire la valeur de h4 à obtenir. Si l'on définit par Q4 le débit de fluide frigorigène traversant le point 4, alors Q4.h4 = Q2.h2 + Q3.h3.

Le débit Q4 peut être déterminé aisément car il est égal au débit de la pompe 4 et est donc fonction de la cylindrée et de la vitesse de rotation de la pompe 4, dans le cas d'une pompe volumétrique par exemple. Par ailleurs, le débit Q4 vérifie la relation Q4=Q2+Q3. Comme vu précédemment, la valeur de h4 peut être calculée à partir du titre x à obtenir, les valeurs de h2, Q2 et h3 étant déterminables. Il est donc possible d'en déduire le débit Q3 de fluide frigorigène liquide à injecter dans la zone de mélange 9 afin d'obtenir le titre x visé. Ce débit Q3 peut être régulé à l'aide des moyens correspondants 11, quelles que soient les conditions de fonctionnement. Le moyen 11 peut être une vanne à trois voies, disposée à la sortie de la pompe 4 et qui répartit le débit total Q4 en deux débits secondaires Q2 et Q3. Cette fonction à trois voies linéaire peut aussi être réalisée de manière électronique avec des vannes d'arrêt. Quand la voie reliée au bouilleur 1 est fermée, tout le fluide frigorigène provient du point i3. A l'inverse, quand la voie reliée au point i3 est fermée, tout le fluide frigorigène provient du point i2. En jouant sur les temps d'ouverture et de fermeture des différentes voies, on peut ajuster la répartition des deux débits. Les figures 5 et 6 illustrent une seconde forme de réalisation dans laquelle le circuit ne nécessite pas l'emploi de moyens de régulation. Ce circuit comporte, comme précédemment, un premier échangeur de chaleur 1 formant un bouilleur, un deuxième échangeur de chaleur 2 formant un condenseur, un troisième échangeur de chaleur 3 formant un sous-refroidisseur, une pompe volumétrique 4, un moyen de détente 5 apte à récupérer un couple mécanique à partir du travail de détente et éventuellement couplé à un générateur électrique par exemple, ainsi qu'un réservoir 6. Le circuit comporte en outre une zone de séparation 12 apte à séparer la phase liquide de la phase gazeuse du fluide frigorigène, une zone de surchauffe 13 apte à être traversée par la phase gazeuse de fluide frigorigène issue de la zone de séparation 12, et une zone de mélange 14 apte à recevoir le fluide frigorigène sous forme gazeuse issue de la zone de surchauffe 13 et apte à recevoir au moins une partie de la phase liquide du fluide frigorigène issu de la zone de séparation 12 et circulant dans un canal de dérivation 15. Le fluide frigorigène circule selon une boucle traversant successivement la pompe 4, le bouilleur 1, la zone de séparation 12, une première partie du fluide frigorigène (la phase vapeur) traversant ensuite la zone de surchauffe 13 avant d'entrer dans la zone de mélange 14, tandis qu'une autre partie du fluide frigorigène (la phase liquide) est dirigée directement de la zone de séparation 12 vers la zone de mélange 14, l'ensemble du fluide frigorigène issu de la zone de mélange 14 traversant ensuite le moyen de détente 5, le condenseur 2, le réservoir 6 et le sous- refroidisseur 3. La figure 6 est un diagramme de Mollier illustrant schématiquement le fonctionnement du circuit de la figure 5. Comme précédemment, des points référencés il à i9 ont été reportés à la fois sur le diagramme de Mollier et sur le circuit de fluide frigorigène illustré à la figure 5 afin de faciliter la compréhension. Les phases du fluide frigorigène (liquide L; diphasique Di, c'est-à-dire liquide et vapeur ; vapeur V) sont également indiquées sur le diagramme. En particulier, du fluide frigorigène (vapeur surchauffée) à une enthalpie h5 (point i5) et du fluide frigorigène (liquide saturant) à une enthalpie h3 (point i3) sont mélangés dans la zone de mélange 14, de façon à produire du fluide frigorigène diphasique à une enthalpie h6 (point i6), destiné à traverser le moyen de détente 5. Dans cette forme de réalisation, les différents éléments du circuit sont dimensionnés de façon à garantir que le point i6 soit situé dans la zone diphasique du diagramme de Mollier, quelles que soient les conditions de fonctionnement. Le circuit ne comporte alors pas de moyens de régulation permettant d'ajuster, de façon active et en temps réel, le débit de fluide liquide traversant la conduite 15, par exemple. Au contraire, le caractère diphasique du fluide frigorigène au point i6 est assuré de façon passive. Le coût d'un tel circuit est donc réduit, par comparaison avec le circuit de la figure 3. Cependant, dans cette forme de réalisation, il n'est pas possible de garantir un titre x constant et optimal du fluide diphasique traversant le moyen de détente 5, pour toutes les conditions de fonctionnement.

Claims

REVENDICATIONS1. Circuit de fluide frigorigène, en particulier pour la récupération et la transformation des rejets thermiques d'un véhicule automobile, qui comporte un premier échangeur de chaleur (1) formant un bouilleur, un moyen de détente (5) apte à produire un couple mécanique à partir du travail de détente, et des moyens aptes à faire circuler le fluide frigorigène selon au moins une boucle traversant successivement le premier échangeur de chaleur (1) et le moyen de détente (5), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'apport (9, 14) de fluide frigorigène liquide dans le premier échangeur de chaleur (1) ou entre le premier échangeur de chaleur (1) et le moyen de détente (5).
2. Circuit selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une zone de séparation (12) apte à séparer la phase liquide de la phase gazeuse du fluide frigorigène, une zone de surchauffe (13) apte à être traversée par la phase gazeuse de fluide frigorigène issue de la zone de séparation (12), et une zone de mélange (14) apte à recevoir le fluide frigorigène sous forme gazeuse issu de la zone de surchauffe (13) et apte à recevoir au moins une partie de la phase liquide du fluide frigorigène issue de la zone de séparation (12).
3. Circuit selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite zone de séparation (12), ladite zone de surchauffe (13) et/ou ladite zone de mélange (14) sont situées dans le premier échangeur de chaleur (1) et/ou entre le premier échangeur de chaleur (1) et le moyen de détente (5).
4. Circuit selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de mesure de la pression et de la température, aptes à mesurer la pression et la température de la phase gazeuse du fluide frigorigène issu de la zone de surchauffe (13).
5. Circuit selon l'une des revendications 2 à 4, comprenant un canal de dérivation (15) du fluide frigorigène reliant la zone de séparation (12) à la zone de mélange (14).
6. Circuit selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une pompe (4) constituant les moyens aptes à faire circuler le fluide frigorigène, la boucle traversant successivement la pompe (4), le premier échangeur de chaleur (1) et le moyen de détente (5).
7. Circuit selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième échangeur de chaleur (2) formant un condenseur, la boucle traversant successivement la pompe (4), le premier échangeur de chaleur (1), le moyen de détente (5) et le deuxième échangeur de chaleur (2).
8. Circuit selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un troisième échangeur de chaleur (3) formant un sous-refroidisseur, la boucle traversant successivement la pompe (4), le premier échangeur de chaleur (1), le moyen de détente (5), le deuxième échangeur de chaleur (2) et le troisième échangeur de chaleur (3).
9. Circuit selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte un réservoir (6) destiné à contenir du fluide réfrigérant liquide, ledit réservoir (6) étant situé entre le deuxième échangeur de chaleur (2) et le troisième échangeur de chaleur (3).
10. Procédé de fonctionnement d'un circuit selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le fluide frigorigène circule selon une boucle traversant le premier échangeur de chaleur (1) et le moyen de détente (5), du fluide frigorigène liquide étant injecté au niveau d'une zone de mélange (9, 14) située dans le premier échangeur de chaleur (1) ou entre le premier échangeur de chaleur (1) et le moyen de détente (5), de façon à ce que le fluide frigorigène issu de la zone de mélange (9, 14) et traversant le moyen de détente (5) soit diphasique.
11. Procédé de fonctionnement d'un circuit selon la revendication 10, dans lequel le fluide frigorigène circule selon une boucle traversant la pompe (4), le premier échangeur de chaleur (1), le moyen de détente (5), le deuxième échangeur de chaleur (2), le réservoir (6) et le troisième échangeur de chaleur (3).