FR3152294A1

FR3152294A1 - Compression or expansion device, with piston without axial symmetry, with forced external circulation, intended for pseudo-isothermal transformations.

Info

Publication number: FR3152294A1
Application number: FR2308938A
Authority: FR
Inventors: Lalanne Pascal
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2023-08-25
Filing date: 2023-08-25
Publication date: 2025-02-28
Also published as: WO2025045841A1

Abstract

Dispositif de compression ou de détente, à piston dépourvu de symétrie axiale, à circulation externe forcée, destiné aux transformations pseudo-isothermes. L’invention concerne un dispositif réduisant les élévations ou abaissements de température d’un fluide (3) durant ces transformations thermodynamiques. Il est au minimum constitué par un cylindre allongé étanche (1), un piston mobile solide ou liquide (2) assurant la compression ou détente, un fluide (3) subissant cette transformation, deux orifices assurant la sortie (11) et rentrée (10) du fluide (3). Extérieurement au cylindre (1) le dispositif inclue un échangeur thermique (4), des conduites (6) et une soufflante (5). En cas de piston liquide, une pompe ou un expandeur hydraulique (8) assure le déplacement du liquide hydraulique (9) via un orifice hydraulique (14). Le dispositif peut inclure des séparations physiques mobiles, imperméables au fluide (4), et des réserves thermiques externes (7). Le dispositif est destiné à améliorer les performances thermodynamiques des compresseurs, turbines, pompes à chaleur, ORCs, stockages énergétiques et unités de liquéfactions. Figure pour l’abrégé: Fig. 2 Compression or expansion device, with piston without axial symmetry, with forced external circulation, intended for pseudo-isothermal transformations. The invention relates to a device reducing the temperature rises or falls of a fluid (3) during these thermodynamic transformations. It is at least constituted by an elongated sealed cylinder (1), a mobile solid or liquid piston (2) ensuring the compression or expansion, a fluid (3) undergoing this transformation, two orifices ensuring the outlet (11) and re-entry (10) of the fluid (3). Externally to the cylinder (1) the device includes a heat exchanger (4), pipes (6) and a blower (5). In the case of a liquid piston, a pump or a hydraulic expander (8) ensures the movement of the hydraulic liquid (9) via a hydraulic orifice (14). The device can include mobile physical separations, impermeable to the fluid (4), and external thermal reserves (7). The device is intended to improve the thermodynamic performances of compressors, turbines, heat pumps, ORCs, energy storages and liquefaction units. Figure for the abstract: Fig. 2

Description

Compression or expansion device, with piston without axial symmetry, with forced external circulation, intended for pseudo-isothermal transformations.

La présente invention concerne un dispositif de compression ou de détente de fluides gazeux ou supercritiques, destiné à assurer des transformations thermodynamiques pseudo-isothermes.The present invention relates to a device for compressing or expanding gaseous or supercritical fluids, intended to ensure pseudo-isothermal thermodynamic transformations.

Dans le domaine des compressions ou des détentes des fluides gazeux ou supercritiques, les équipements les plus aisés à construire, à étanchéifier et à exploiter, possèdent presque toujours une symétrie axiale au niveau de leur composante principale assurant cette compression ou cette détente. Ainsi sont extremement répandus les compresseurs et les expandeurs à turbine radiale, à turbine axiale, à pistons circulaires, à vis hélicoïdales, à palette. Meme les différents compresseurs à spirales bénéficient dans leur rotation de l’uniformité d’une symétrie axiale.In the field of compression or expansion of gaseous or supercritical fluids, the easiest equipment to build, seal and operate almost always has axial symmetry in its main component ensuring this compression or expansion. Compressors and expanders with radial turbines, axial turbines, circular pistons, helical screws and vanes are therefore extremely widespread. Even the various scroll compressors benefit from the uniformity of axial symmetry in their rotation.

Du fait de cette particularité, les compressions ou les détentes réalisées par ces équipements conventionnels suivent une transformation thermodynamique de type adiabatique sans échange possible de chaleur, souvent nommé pseudo-isentropique. Le terme « pseudo » traduit ici le fait que tout équipement introduit de plus un certain niveau d’irréversibilité thermodynamique par rapport à une transformation idéale. Toute compression ou détente du fluide produira une élévation ou un abaissement de sa température, interprétable selon la courbe isentropique du diagramme Enthalpie-Pression du fluide considéré, aux irréversibilités près.Due to this particularity, the compressions or expansions carried out by these conventional devices follow an adiabatic thermodynamic transformation without possible heat exchange, often called pseudo-isentropic. The term "pseudo" here reflects the fact that all devices also introduce a certain level of thermodynamic irreversibility compared to an ideal transformation. Any compression or expansion of the fluid will produce an increase or decrease in its temperature, interpretable according to the isentropic curve of the Enthalpy-Pressure diagram of the fluid considered, apart from irreversibilities.

Dans quelques rares applications, cette élévation ou abaissement de la température du fluide compressé ou détendu peut représenter un avantage opérationnel. Cependant chaque fois que l’objectif de cette compression est purement celui d’accroitre la pression du fluide, on peut calculer que, selon la composition du fluide, ses états initiaux de pression, température et de volume massique, et selon le taux de compression désiré, le travail nécessaire à cette compression pseudo-isentropique est malheureusement 20% à 50% supérieur à celui que demanderait une compression pseudo-isotherme, donc non-adiabatique.In some rare applications, this increase or decrease in the temperature of the compressed or expanded fluid can represent an operational advantage. However, whenever the objective of this compression is purely to increase the pressure of the fluid, it can be calculated that, depending on the composition of the fluid, its initial states of pressure, temperature and mass volume, and depending on the desired compression ratio, the work required for this pseudo-isentropic compression is unfortunately 20% to 50% higher than that required by a pseudo-isothermal, therefore non-adiabatic, compression.

De meme chaque fois que l’objectif d’une détente est purement celui de produire du travail, on peut calculer que, selon la composition du fluide, ses états initiaux de pression, température et de volume massique, et selon le taux de détente désiré, le travail que pourrait produire une détente pseudo-isotherme serait 20% à 50% supérieur à celui que produit une détente adiabatique pseudo-isentropique.Similarly, whenever the objective of an expansion is purely to produce work, it can be calculated that, depending on the composition of the fluid, its initial states of pressure, temperature and mass volume, and depending on the desired expansion rate, the work that a pseudo-isothermal expansion could produce would be 20% to 50% greater than that produced by a pseudo-isentropic adiabatic expansion.

Depuis de nombreuses années, de nombreuses inventions se sont intéressées à se rapprocher des compressions isothermes, bien entendu par des extractions ou apports de chaleur au cours de la transformation. Ces dispositifs ou procédés sont souvent complexes et leurs résultats néanmoins modestes. Le plus répandu est l’étagement des compressions ou détentes, par lequel est utilisé une couteuse pluralité de compresseurs ou d’expandeurs, bénéficiant d’extraction ou d’apport de chaleur entre ces étages. Un autre procédé est l’injection de gouttelettes de liquide (du fluide lui-même, ou alors d’eau ou d’huile) pendant les compressions, tel le dispositif décrit dans le brevet EP2449259B1. Un autre procédé exploite le fait que le liquide d’un « piston-liquide » humidifie dans son déplacement une masse évidée de forte surface d’échange thermique (à parois, à lamelles, ou à garnissage de forte porosité) tel le dispositif décrit dans le brevet US4446698A, ce qui va permettre de réduire la variation de température subie par le fluide à compresser ou à détendre.For many years, many inventions have been interested in approaching isothermal compressions, of course by extracting or adding heat during the transformation. These devices or processes are often complex and their results nevertheless modest. The most widespread is the staging of compressions or expansions, by which a costly plurality of compressors or expanders is used, benefiting from extraction or addition of heat between these stages. Another method is the injection of liquid droplets (of the fluid itself, or of water or oil) during compressions, such as the device described in patent EP2449259B1. Another method exploits the fact that the liquid of a "liquid piston" moistens in its movement a hollow mass with a high heat exchange surface (with walls, lamellae, or high porosity lining) such as the device described in patent US4446698A, which will make it possible to reduce the temperature variation undergone by the fluid to be compressed or expanded.

Dans l’invention objet de cette demande, notre travail de simulation nous a permis d’explorer une voie nouvelle prometteuse, mais qui impose de s’éloigner de la facilité de construction, d’étanchéification et d’exploitation des dispositifs existants, qui bénéficient d’une symétrie axiale au niveau de leur composante principale assurant cette compression ou cette détente.In the invention that is the subject of this application, our simulation work has allowed us to explore a promising new avenue, but which requires moving away from the ease of construction, sealing and operation of existing devices, which benefit from axial symmetry at the level of their main component ensuring this compression or this expansion.

Outre les applications aux pures compressions et aux pures détentes des fluides industriels ou fluides naturels courants (O2, N2, CO2, CH4, NH3, H2O, H2, etc) pour des usages de densification, expansion ou pour des usages de ces fluides en tant que réfrigérants de cycles thermodynamiques, cette invention pourrait aussi permettre de grandement faciliter les liquéfactions les plus complexes de fluides, par la suppression des étages et/ou par la réduction du nombre de cascades de réfrigérants multiples. Grace au progrès d’une compression pseudo-isotherme, il serait par exemple possible d’envisager une importante simplification des procédés de liquéfaction du méthane via la réfrigération du R744 (alias CO2), ou l’importante simplification de la liquéfaction de l’hydrogène, très couteux en capex et en energie à actuellement 12-15 kWh/kg H2, via une simple cascade de réfrigération au réfrigérant R744 liquéfiant le réfrigérant R728 (alias N2), et assurant également l’extraction de chaleur liée à la conversion de l’H2 ortho en H2 para.In addition to applications for pure compression and pure expansion of industrial fluids or common natural fluids (O2, N2, CO2, CH4, NH3, H2O, H2, etc.) for densification, expansion or for uses of these fluids as refrigerants for thermodynamic cycles, this invention could also greatly facilitate the most complex liquefactions of fluids, by eliminating stages and/or by reducing the number of multiple refrigerant cascades. Thanks to the progress of pseudo-isothermal compression, it would be possible, for example, to envisage a significant simplification of methane liquefaction processes via the refrigeration of R744 (alias CO2), or the significant simplification of hydrogen liquefaction, very expensive in terms of capex and energy at currently 12-15 kWh/kg H2, via a simple refrigeration cascade with R744 refrigerant liquefying R728 refrigerant (alias N2), and also ensuring the extraction of heat linked to the conversion of ortho H2 into para H2.

Dans le dispositif objet de l’invention, la composante physique principale assurant la compression ou la détente perd toute symétrie axiale et est constitué d’un ou plusieurs pistons et cylindres, de forme allongée, d’un rapport de longueur sur largeur généralement compris entre 1,50 et 15 selon le niveau d’isothermie désiré, et munis d’au moins deux orifices dédiés à la sortie et à la rentrée du fluide aux extrémités de la longueur du cylindre allongé. Le dispositif reçoit en outre le support d’un ou plusieurs échangeurs externes pour les nécessaires extractions ou apports de chaleur ainsi que celui d’une soufflante externe à vitesse variable. Une circulation externe forcée est ainsi assurée en boucle fermée entre ces équipements. Il est estimé que la soufflante consomme beaucoup moins de travail que le travail gagné grace à ces transformations pseudo-isothermes.In the device that is the subject of the invention, the main physical component ensuring compression or expansion loses all axial symmetry and is made up of one or more pistons and cylinders, of elongated shape, with a length to width ratio generally between 1.50 and 15 depending on the desired level of isotherm, and provided with at least two orifices dedicated to the outlet and re-entry of the fluid at the ends of the length of the elongated cylinder. The device also receives the support of one or more external exchangers for the necessary extractions or heat inputs as well as that of an external variable speed blower. Forced external circulation is thus ensured in a closed loop between these devices. It is estimated that the blower consumes much less work than the work gained thanks to these pseudo-isothermal transformations.

Dans le fonctionnement pseudo-isotherme de compression d’un fluide gazeux ou supercritique, la circulation rapide du fluide dans l’axe longitudinal du cylindre allongé, lui permet de ne subir, au niveau moléculaire, qu’une courte compression avant de bénéficier d’un refroidissement immédiat à une température de consigne dans l’échangeur externe, le fluide étant continuellement animé d’une énergie cinétique par la soufflante externe. Ces molécules du fluide vont ensuite pénétrer de nouveau dans l’ensemble cylindre-piston, pour y subir de nouvelles courtes compressions. Ceci jusqu’au moment où le fluide aura atteint la montée de pression désirée.In the pseudo-isothermal operation of compression of a gaseous or supercritical fluid, the rapid circulation of the fluid in the longitudinal axis of the elongated cylinder allows it to undergo, at the molecular level, only a short compression before benefiting from immediate cooling to a set temperature in the external exchanger, the fluid being continuously animated by kinetic energy by the external blower. These molecules of the fluid will then re-enter the cylinder-piston assembly, to undergo new short compressions. This until the moment when the fluid has reached the desired pressure increase.

Dans le fonctionnement pseudo-isotherme de détentes d’un fluide gazeux ou supercritique, la circulation rapide du fluide dans l’axe longitudinal du cylindre allongé, lui permet de ne subir, au niveau moléculaire, qu’une courte détente avant de bénéficier d’un réchauffage immédiat à une température de consigne dans l’échangeur externe, le fluide étant continuellement animé d’une énergie cinétique par la soufflante externe. Ces molécules du fluide vont ensuite pénétrer de nouveau dans l’ensemble cylindre-piston, pour y subir de nouvelles courtes détentes. Ceci jusqu’au moment où le fluide aura atteint la réduction de pression désirée.In the pseudo-isothermal operation of expansions of a gaseous or supercritical fluid, the rapid circulation of the fluid in the longitudinal axis of the elongated cylinder allows it to undergo, at the molecular level, only a short expansion before benefiting from immediate reheating to a set temperature in the external exchanger, the fluid being continuously animated by kinetic energy by the external blower. These molecules of the fluid will then re-enter the cylinder-piston assembly, to undergo new short expansions. This until the moment when the fluid has reached the desired pressure reduction.

Bien entendu, il est necessaire de tolérer une petite variation de la température du fluide dans l’ensemble cylindre-piston allongé, par exemple de 5, 10 ou 15 Kelvin, pour que l’échange thermique, généralement par chaleur sensible, puisse etre réalisé dans l’échangeur externe.Of course, it is necessary to tolerate a small variation in the temperature of the fluid in the elongated cylinder-piston assembly, for example 5, 10 or 15 Kelvin, so that the heat exchange, generally by sensible heat, can be carried out in the external exchanger.

Dans un mode de réalisation préférée de l’invention, c’est un piston-liquide, utilisant les mouvements d’un liquide hydraulique par une ou plusieurs pompes ou expandeurs hydrauliques, qui réalise la variation de volume nécessaire à la compression ou à la détente, toujours dans un cylindre allongé. Les problèmes d’étanchéité attendus des pistons solides non-cylindriques sont alors évités dans ce mode, bien qu’une ovalisation régulière dans ses extrémités devrait permettre à un piston solide allongé de fonctionner sans fuites excessives, comme l’a démontré une moto japonaise de compétition Honda NR750 dans les années 1979-80.In a preferred embodiment of the invention, it is a liquid piston, using the movements of a hydraulic liquid by one or more hydraulic pumps or expanders, which achieves the volume variation necessary for compression or expansion, always in an elongated cylinder. The sealing problems expected from non-cylindrical solid pistons are then avoided in this mode, although regular ovalization in its ends should allow an elongated solid piston to operate without excessive leaks, as demonstrated by a Japanese Honda NR750 competition motorcycle in the years 1979-80.

Une amélioration peut être apportées au dispositif en mode piston-liquide en ce que, pour limiter les risques de dissolution du fluide dans le liquide hydraulique, dissolution préjudiciable au maintien de sa masse dans le dispositif et préjudiciable au fonctionnement de la pompe ou de l’expandeur hydrauliques par apparition de cavitation, peut également être prévue une séparation physique mobile entre le liquide hydraulique et le fluide à compresser ou à détendre. Cette séparation peut être par exemple obtenue par le confinement du liquide hydraulique et/ou par le confinement du fluide à compresser ou à détendre au moyen de bâche(s) flexible(s), par exemple sous la forme de membrane ou de vessie, ou par l’incorporation d’un liquide spécifique de séparation ou d’une membrane solide flottante à l’interface entre le fluide propulseur et le liquide hydraulique. Un ajustement spécifique du PH du fluide hydraulique peut parfois également répondre à cette problématique de dissolution.An improvement can be made to the device in piston-liquid mode in that, to limit the risks of dissolution of the fluid in the hydraulic liquid, dissolution detrimental to the maintenance of its mass in the device and detrimental to the operation of the hydraulic pump or expander by the appearance of cavitation, a mobile physical separation can also be provided between the hydraulic liquid and the fluid to be compressed or expanded. This separation can be obtained for example by confining the hydraulic liquid and/or by confining the fluid to be compressed or expanded by means of flexible tank(s), for example in the form of a membrane or bladder, or by the incorporation of a specific separation liquid or a floating solid membrane at the interface between the propellant fluid and the hydraulic liquid. A specific adjustment of the pH of the hydraulic fluid can sometimes also address this dissolution problem.

Les dessins annexés illustrent l’invention :The accompanying drawings illustrate the invention:

FIG. 1expose, dans le cas particulier du diagramme Enthalpie-Pression du fluide CO2, la difference de variations enthalpiques entre une compression isentropique conventionnelle, de segment AB, suivi du refroidissement de segment BC, et une compression isotherme de segment AC, de memes points de départ et d’arrivée, réalisée par 11 circulations tolérant une augmentation de température de 15 Kelvin, ou réalisée par 32 circulations tolérant une augmentation de température de 5 Kelvin. FIG. 1 shows, in the particular case of the Enthalpy-Pressure diagram of the CO2 fluid, the difference in enthalpic variations between a conventional isentropic compression, of segment AB, followed by cooling of segment BC, and an isothermal compression of segment AC, with the same starting and finishing points, carried out by 11 circulations tolerating a temperature increase of 15 Kelvin, or carried out by 32 circulations tolerating a temperature increase of 5 Kelvin.

FIG. 2décrit l’ensemble du dispositif dans le mode préféré à piston liquide. Le cylindre allongé (1) reçoit le piston liquide (2). Le fluide (3) circule dans l’échangeur externe (4) à l’aide de la soufflante externe (5), via les conduites (6), de l’orifice de sortie (11) vers l’orifice de rentrée (10). Le déplacement du piston liquide est assuré par une pompe ou un expandeur hydraulique (8) permettant l’entrée et la sortie du liquide hydraulique (9) via l’orifice hydraulique (14). Les réserves thermiques externes (7), qui peuvent etre simplement constitués par l’environnement, permettent l’extraction ou l’apport de chaleur FIG. 2 describes the entire device in the preferred liquid piston mode. The elongated cylinder (1) receives the liquid piston (2). The fluid (3) circulates in the external exchanger (4) using the external blower (5), via the pipes (6), from the outlet port (11) to the inlet port (10). The movement of the liquid piston is ensured by a pump or a hydraulic expander (8) allowing the entry and exit of the hydraulic liquid (9) via the hydraulic port (14). The external thermal reserves (7), which can simply be constituted by the environment, allow the extraction or the supply of heat

FIG. 3détaille une vue en coupe du cylindre allongé (1). Ce dernier reçoit le piston liquide (2). Les orifices de sortie du fluide (11) et les orifices de rentrée du fluide (10) sont bien visibles, ainsi que l’orifice hydraulique (14). Le cylindre allongé (1) doit pouvoir résister à des pressions élevées, il est donc ici équipé de brides (12) permettant la fixation de ses extrémités (13), ici mobiles par commodité d’assemblage. FIG. 3 details a sectional view of the elongated cylinder (1). The latter receives the liquid piston (2). The fluid outlet ports (11) and the fluid inlet ports (10) are clearly visible, as well as the hydraulic port (14). The elongated cylinder (1) must be able to withstand high pressures, so it is here equipped with flanges (12) allowing the fixing of its ends (13), here movable for ease of assembly.

FIG. 4montre une vue en 3 dimensions du cylindre allongé (1). Les orifices de sortie du fluide (11) sont masqués et les orifices de rentrée du fluide (10) sont bien visibles, ainsi que l’orifice hydraulique (14). Le cylindre allongé (1) doit pouvoir résister à des pressions élevées, il est donc ici équipé de brides (12) permettant la fixation de ses extrémités (13), ici mobiles par commodité d’assemblage. FIG. 4 shows a 3-dimensional view of the elongated cylinder (1). The fluid outlet ports (11) are hidden and the fluid inlet ports (10) are clearly visible, as well as the hydraulic port (14). The elongated cylinder (1) must be able to withstand high pressures, so it is here equipped with flanges (12) allowing the fixing of its ends (13), here movable for ease of assembly.

FIG. 5illustre le maillage d’une simulation aux éléments finis de la circulation du fluide (3) et de ses états de pression, température et de volume massique en différents points internes à l’ensemble cylindre-piston. FIG. 5 illustrates the mesh of a finite element simulation of the circulation of the fluid (3) and its pressure, temperature and mass volume states at different points internal to the cylinder-piston assembly.

Claims

The device consists of at least one cylinder (1), at least one mobile physical component ensuring compression or expansion, materialized by one or more pistons, including the choice of a liquid piston (2) in a preferred embodiment of the invention, at least one fluid (3) undergoing this compression or expansion in gaseous or supercritical phase, at least two orifices dedicated to the outlet (11) and the re-entry (10) of the fluid (3) at the ends of the length of the cylinder (1) as well as at least one heat exchanger (4) connected by pipes (6) incorporating an external variable speed blower (5), a forced external circulation thus being ensured in a closed loop between these pieces of equipment, characterized by the fact that the cylinder (1) has an elongated shape, with a length to width ratio generally between 1.50 and 15 along its longitudinal axis.

Device according to claim 1 characterized in that a liquid piston (2), using the movements of a hydraulic liquid (9) by one or more hydraulic pumps or expanders (8) is assigned the function of carrying out, via a hydraulic orifice (14), the variation in volume necessary for the compression or expansion of the fluid (3) in the elongated cylinder (1).

Device according to claim 2 characterized in that, to avoid dissolution of the fluid (3) in the hydraulic liquid (9), a mobile physical separation is provided, such as one or more flexible tarpaulins in the form of a membrane or bladder, or a floating solid membrane, or a specific separation liquid, or a specific adjustment of the pH of the hydraulic fluid (9).

Use of a device according to any one of claims 1 to 3 for carrying out pseudo-isothermal compressions or expansions of a fluid (3) for the purpose of producing heat or cold, or of absorbing or producing work, or of simplifying certain gas liquefaction cycles.