Domaine technique.

Cette invention concerne un convertisseur d'énergie calorifique d'origine solaire stockée dans les eaux des océans et dans l'atmosphère en énergie électrique.

Technique antérieur.

Les grands capteurs naturels du rayonnement solaires sont les océans et l'atmosphère. Tout le monde pense que la source d'énergie alternative à l'énergie atomique et l'énergie fossile de demain sera certainement l'énergie stockée dans les eaux des océans et dans l'atmosphère. Pour l'exploitation de l'énergie thermique de mers (ETM), des études faites récemment estime que le potentiel techniquement exploitable (PTE) est de 100 000 TWh/a, et il représente 82 % des énergies de la mer. Ces grands réservoirs naturels d'énergie calorifique constituent un stock inépuisable, renouvelable, écologique et propre. Les tentatives d'exploitation de cette source d'énergie pour produire de l'électricité restent jusqu'à présent non significatives.

Il est connu de l'état de la technique la plus proche au convertisseur proposé par cette invention, des dispositifs ayant fait l'objet d'une demande de brevet, on peut citer par exemple le brevet EP2929184A1.

La plupart des systèmes de conversion de l'énergie thermique des mers(ETM) dite aussi en Anglais (OTEC) pour "Ocean thermal energy conversion", utilisent la différence de température entre l'eau relativement chaude de surface (température comprise entre 23 et 28 °C ), et l'eau profonde froide (profondeur au delà de 1000 m, et température = 5 °C) pour faire fonctionner un cycle thermodynamique classique comme le cycle organique de Rankine (ORC), pour entraîner un moteur thermique en vue de produire de l'énergie électrique. La production d'énergie OTEC a été identifiée à la fin des années 1970 comme une source d'énergie renouvelable possible ayant une empreinte carbone de l'énergie produite faible à nulle. Les systèmes ETM classiques apportent d'énormes quantités d'eau de mer froide profonde à la surface afin d'assurer le refroidissement. Plus de la moitié produite dans une usine OTEC serait nécessaire pour faire fonctionner les pompes à eau et à refroidir le fluide de travail et pour alimenter les besoins auxiliaires de l'usine. Selon des experts, la faible efficacité nette globale d'une centrale ETM n'est pas une option de production d'énergie viable sur le plan commercial.

Toujours dans l'état de l'art de la technique la plus proche, on peut citer la référence W02007101919A1 d'un brevet qui décrit un modèle typique des tentatives de conversion d'énergie calorifique contenue dans le milieu ambiant ou rejetée par un autre dispositif ou recherchée spécifiquement et transportée par un fluide, en une énergie utilisable en tant qu'énergie mécanique et/ou énergie électrique.

Les nouvelles générations des pompes à chaleur haute température sont des appareils électriques, qui utilisent l'énergie disponible gratuitement dans l'environnement pour assurer le chauffage et la production de l'eau sanitaire des maisons, le but attendu de ces machines est de prélever les calories d'un milieu et les restituer à un autre, sans jamais penser à produire de l'électricité. Aujourd'hui, l'énergie thermique des mers suscite un regain d'intérêt et un consensus international semble établi selon lequel elle pourrait contribuer à satisfaire nos besoins en énergie primaire. Mais l'inadaptation de nos modes de production dits traditionnels restent un obstacle devant l'accessibilité à cette énergie.

Le cycle de Rankine (non organique et organique) se base sur le refroidissement de la vapeur détendue pour la liquéfier, et toute la chaleur latente est cédée au milieu naturel qui est plus froid que la vapeur détendue. Mais, si le milieu naturel est la source chaude, alors, il faut faire recours au système de production du froid pour liquéfier la vapeur, et dans ce cas on dépense plus d'énergie que l'on produit.

Donc, trouver un nouveau cycle thermodynamique autre que le cycle organique de Rankine, pour pouvoir exploiter l'énergie calorifique stockée dans les mers les océans et l'atmosphère est la seule solution.

Résumé de l'invention.

Pour remédier aux inconvénients présentés ci-dessus, la présente invention propose un convertisseur utilisant un nouveau cycle thermodynamique spécial utilisé en parallèle avec une boucle hydraulique; une nouvelle méthode de conversion d'énergie; et une nouvelle méthode de liquéfaction de la vapeur du fluide de travail utilisant une détente isenthalpique étagée; une méthode de synchronisation du fonctionnement d'un jeu de réservoirs intermédiaires. Ledit convertisseur est mieux adapté à l'exploitation de l'énergie calorifique d'origine solaire stockée dans les eaux des océans et dans l'atmosphère. L'énergie stockée dans les eaux des océans et dans l'atmosphère est très abondante sur notre terre, et elle est une énergie gratuite, renouvelable, inépuisable, propre et ne dégage pas de gaz à effet de serre. Cette invention aura certainement un impact positif sur l'environnement et sur le climat, et aura des conséquences positives sur les plans politiques économiques et sociaux. Ledit convertisseur a la particularité de se baser sur des techniques simples à la portée de tous les pays du monde.

Le premier but de cette invention est de proposer un convertisseur caractérisé par son fonctionnement basé sur un cycle thermodynamique organique spécial utilisé en parallèle avec une boucle hydraulique. Ledit cycle transforme l'énergie calorifique très basse température stockée dans l'eau des océans et dans l'atmosphère en énergie de pression; cette dernière sera communiquée à la boucle hydraulique au sein de laquelle les transformations se poursuivent pour aboutir finalement à la production d'électricité .

Un autre but de cette invention est de proposer une méthode de liquéfaction partielle de la vapeur à l'intérieur de la ligne de condensation située dans le condenseur de l'étage de liquéfaction de la vapeur, basée sur une détente isenthalpique étagée. La ligne de condensation est une ligne adiabatique composée d'une série de séparateurs de phases alternés par des détendeurs-régulateurs de pression.

Encore un autre objectif de cette invention est de proposer une méthode pour synchroniser les étapes du cycle de fonctionnement d'un groupe de réservoirs intermédiaires en utilisant un système numérique de contrôle -commande, pour garantir la continuité et la stabilité du débit d'eau alimentant la turbine hydraulique couplée à un générateur électrique. Encore un autre but de cette invention est de proposer un fluide organique de travail qui doit être non nocif pour la couche d'ozone et non générateur d'effet de serre, et doit être insoluble ou très peu soluble dans l'eau, il doit aussi avoir un bas point d'ébullition, et une pression de vapeur saturante élevée à la température ambiante. Il doit avoir aussi sa température critique élevée sans s'approcher du point d'ébullition de l'eau. Cette dernière propriété permet d'exploiter d'autres sources de chaleur (généralement de la chaleur provenant, de la récupération ou d'autres sources chaudes d'origines diverses.) dont la température est supérieure à la température ambiante, le propane répond bien à ces propriétés, et c'est lui qui sera adopté comme fluide travail, dans l' attente de trouver un autre fluide de travail de substitution ayant des propriétés meilleures.

Ledit convertisseur proposé par cette invention peut être modélisé par un cycle thermodynamique spécial, utilisé en parallèle avec une boucle hydraulique.

Le cycle thermodynamique spécial se compose d'un nombre d'étages correspondants au nombre de transformations que doit subir le fluide de travail au cours de son évolution dans ledit cycle thermodynamique. Il comprend un étage des générateurs de vapeur; un étage de conversion d'énergie; un étage de liquéfaction de la vapeur; et un étage de pompage pour réintroduire le condensat dans le générateur de vapeur, et pour réintroduire la vapeur non condensée par compression dans l'étage de liquéfaction pour la recycler.

La boucle hydraulique est un circuit hydraulique confiné, dans lequel circule de l'eau douce en circuit fermé, la température de l'eau doit être celle de l'ambiance, c'est-à- dire la température du milieu où est placé le générateur de vapeur. Ladite boucle hydraulique est constituée par le groupe de réservoirs intermédiaires appartenant aussi au cycle thermodynamique spécial; d'un accumulateur de pression; d'une turbine hydraulique; d'un bac à eau ou bâche pour recevoir l'eau à sa sortie de la turbine; et d'une pompe hydraulique.

L'étage des générateurs de vapeur doit contenir au moins un générateur de vapeur. En général, la fonction du générateur de vapeur est de permettre l'échange thermique entre la source de chaleur et le fluide organique de travail, qui, sous l'action du flux de chaleur qui traverse la paroi, est porté à ébullition et se transforme en vapeur sous une certaine pression qui est spécifique pour chaque fluide de travail. Dans le cas de cette invention, la source de chaleur est l'énergie calorifique d'origine solaire stockée dans l'eau des océans et dans l'atmosphère, ou tout simplement notre ambiance naturelle.

L'étage de conversion d'énergie doit contenir au moins un groupe de trois réservoirs intermédiaires, ledit groupe appartient aussi à la boucle hydraulique, car, c'est dans le réservoir intermédiaire que se déroule la communication de l'énergie de pression de la vapeur à la boucle hydraulique.

Le cycle thermodynamique spécial n'utilise pas la détente de la vapeur (détente isentropique) comme phase motrice pour produire du travail comme dans le cycle organique de Rankine normal (ORC), mais, il se limite au passage du fluide de travail de l'état liquide à l'état de vapeur, et utilise uniquement la pression de vapeur saturante pour chasser l'eau contenue dans le réservoir intermédiaire pour prendre sa place; l'eau, contrainte de s'échapper à travers l'orifice de sortie vers l'accumulateur de pression, qui est un composant de la boucle hydraulique. À ce stade, l'énergie de pression de la vapeur est communiquée à un circuit hydraulique, et il ne reste plus qu'à liquéfier partiellement la vapeur; en profitant de sa pression qu'elle a conservée, pour lui faire subir une détente isenthalpique étagée dans la ligne de condensation (qui est une ligne adiabatique) composée d'un nombre de séparateurs de phases alternés par des détendeurs-régulateurs de pression dits aussi soupapes de Joule-Thomson qui fonctionnent selon le principe de Joule-Thomson, qui est un phénomène physique lors duquel la température d'un gaz diminue lorsque ce gaz subit une expansion adiabatique.

Chaque réservoir intermédiaire d'un groupe, doit être calorifugé, sa forme doit être de préférence cylindrique à fond bombé, et monté en position verticale. En plus, chaque réservoir doit posséder sur sa partie haute d'une entrée de la vapeur venant du générateur de vapeur, et d'une sortie de la vapeur vers l'étage de liquéfaction. Sur la partie basse, le réservoir doit posséder une entrée d'eau provenant d'une pompe hydraulique, et une sortie d'eau en direction de l'accumulateur de pression.

L'accumulateur de pression est un réservoir pressurisé. Il est rempli à moitié de son volume par de l'eau douce, et l'autre moitié est occupée par de la vapeur du fluide travail, formant une chambre à vapeur qui le maintient sous pression. Il possède une entrée et une sortie d'eau au niveau de la partie occupée par l'eau, et possède aussi au niveau de la chambre à vapeur d'une entrée équipée d'un régulateur de pression, et une sortie équipée d'une soupape de décharge.

La pression à l'intérieur dudit accumulateur de pression doit nécessairement être inférieur à la pression de vapeur saturante qui règne dans le générateur de vapeur et dans le réservoir intermédiaire qui refoule l'eau vers lui; et cette pression doit être maintenue constante par un système de régulation, dans le but de compenser les irrégularités du débit d'eau entrant causées par l'ouverture et la fermeture des vannes du groupe de réservoirs intermédiaires, et pour assurer un débit d'eau constant sortant vers la turbine hydraulique. C'est grâce au régulateur de pression installé sur la conduite d'entrée de la vapeur dans ledit accumulateur, et à la soupape de décharge installée sur la conduite de sortie de la vapeur, que la stabilité de la pression à l'intérieur dudit accumulateur est assurée: quand la pression a tendance à baisser, le régulateur de pression laisse passer le vapeur à l'intérieur de la chambre à vapeur pour compenser cette baisse, et quand la pression tend à augmenter, la soupape de décharge laisse la vapeur s'échapper à l'extérieur de la chambre à vapeur vers la ligne de condensation pour compenser cette augmentation.

L'écoulement de l'eau du réservoir intermédiaire vers l'accumulateur de pression ne peut, pas avoir lieu si certaines précautions ne sont pas prises, pour cela, la pression à l'intérieur dudit accumulateur doit être maintenue constante et inférieure à celle qui règne dans le réservoir intermédiaire; cette différence de pression influe beaucoup sur la vitesse d'écoulement de l'eau, et sur la section de la conduite qui relie les deux réservoirs.

La turbine hydraulique est indispensable pour transformer l'énergie de pression de l'eau en énergie mécanique de rotation du rotor de la turbine couplé au générateur électrique, et elle a besoin d'un débit d'eau continu et stable; pour garantir un tel débit, il est indispensable d'assurer la continuité d'un apport, d'eau entrant dans l'accumulateur de pression, et garantir un débit régulier et stable sortant en direction de la turbine hydraulique. La continuité du débit entrant est assurée par la méthode de synchronisation décrite ci-dessous, tandis que le débit sortant, il est assuré par l'accumulateur de pression lui-même, car il est équipé d'un système de régulation lui permettant de jouer ce rôle. La pompe hydraulique est indispensable pour évacuer l'eau du bac et la refouler vers le groupe de réservoirs intermédiaires pour chasser la vapeur détendue et de la forcer à aller vers l'étage de condensation.

L'étage de liquéfaction de vapeur est constitué par au moins un condenseur comprenant au moins une ligne de condensation. Ladite ligne de condensation est un circuit adiabatique dans lequel se déroule la détente isenthalpique étagée. Elle est constituée par une série de séparateurs de phases intercalés par des détendeurs-régulateurs de pression. Le but du séparateur est de retenir la phase liquide et laisser passer la phase vapeur; et le but du détendeur-régulateur de pression est de faire subir à la vapeur une détente isenthalpique.

Line seule détente isenthalpique dans la ligne de condensation donne deux dixièmes de la masse du fluide de travail sous forme de vapeur surchauffée, et le reste, sous forme d'un mélange diphasique majoritairement à l'état de vapeur. Avec une détente isenthalpique étagée composée de deux détentes, le résultat s'améliore, car la vapeur surchauffée est réduite, mais le mélange diphasique reste majoritairement sous forme de vapeur, malheureusement ce n'est pas le but recherché. Avec une détente isenthalpique étagée composée de trois détentes on obtient un bon résultat. Il y a plusieurs possibilités de réaliser les trois détentes isenthalpiques; par exemple: la première détente isenthalpique de 9,5 bars à 7 bars, et la deuxième détente isenthalpique de 7 bars à 2 bars et la troisième détente isenthalpique de 2 bars à 1 bar, et à la fin on obtient un mélange diphasique contenant 20 % de vapeur et 80 % à l'état liquide. Ces valeurs en pourcentages, ne donnent que les proportions de la vapeur non condensée au cours de la deuxième détente isenthalpique, donc, ils n'ont aucun rapport avec la masse totale du contenu du réservoir intermédiaire.

Dès le démarrage de la détente isenthalpique étagée, au moment de l'ouverture de la vanne de la sortie de la vapeur du réservoir intermédiaire, on peut considérer que le fluide quittant ledit réservoir est un mélange diphasique. Ce dernier arrive dans le premier séparateur de la ligne de condensation, la phase liquide est retenue, et la phase vapeur continue son chemin vers le premier détendeur-régulateur de pression réglé à 7 bars. Cette première étape de la détente isenthalpique étagée, donne à la sortie dudit régulateur pendant un temps très court une vapeur surchauffée, puis, après un certain temps on obtient un mélange diphasique majoritairement à l'état de vapeur d'une température de 14 °C. Ce mélange diphasique arrive dans le deuxième séparateur, la phase liquide est retenue et la phase vapeur continue son chemin vers le deuxième détendeur-régulateur réglé à 2 bars. Cette deuxième étape de la détente isenthalpique étagée, donne à la sortie dudit régulateur un mélange diphasique ayant une température égale à -26 °C. avec un titrage équilibré. Ce mélange diphasique arrive dans le troisième séparateur, la phase liquide est retenue et la phase vapeur continue son chemin vers le troisième détendeur- régulateur réglé à 1 bar. Cette troisième et dernière étape de la détente isenthalpique étagée, donne à la sortie dudit régulateur un mélange diphasique majoritairement à l'état de liquide ayant une température égale à -42 °C. Ce mélange diphasique arrive dans le quatrième séparateur, la phase liquide est retenue et la phase vapeur est aspirée par un compresseur est réintroduite dans la ligne de condensation pour recyclage. Tous les condensats retenus dans chacun des séparateurs seront soutirés par des pompes à condensat, puis passés dans des échangeurs thermiques pour exploiter leur froid, et pour réchauffer le condensat avant sa réintroduction dans le générateur de vapeur. Si le volume du réservoir intermédiaire est maintenu constant au cours de la détente, l'échappement de la vapeur vers la ligne de condensation va entraîner une chute de pression de la température et de la matière; ce changement aura des conséquences sur la détente isenthalpique étagée. Ainsi, quand la pression chute à 7 bars, le premier détendeur ne joue plus son rôle, car il est complètement ouvert, et quand la pression chute à 2 bars, le deuxième détendeur ne joue plus son rôle, car il est complètement ouvert, et quand la pression chute à 1 bar, le troisième détendeur ne joue plus son rôle, car il est complètement ouvert. À ce stade, les trois détendeurs régulateurs sont ouverts, et en ce moment ont commence à pomper l'eau à l'intérieur du réservoir intermédiaire, pour le remplir d'eau et pour forcer le mélange diphasique résiduel à aller vers la ligne de condensation.

Chaque séparateur possède une entrées et deux sorties. L'entrée est réservée pour le mélange diphasique liquide- vapeur, et pour les deux sorties: la sortie principale est réservée pour le sous-tirage du condensat; et la sortie secondaire est réservée pour la sortie de la vapeur. Sauf pour le séparateur réservé pour recevoir la vapeur non condensée pour être recyclée, qui, lui possède une deuxième entrée réservée pour recevoir la vapeur issue du compresseur.

L'étage de pompage est constitué par l'ensemble des pompes à condensat; chaque séparateur possède sa propre pompe, dont le rôle est de compresser le condensat pour deux raisons: la première, pour éviter son évaporation dans les conduites, car son passage dans les échangeurs thermiques, entraînera inévitablement une augmentation de sa température; et la seconde raison est de faciliter son introduction dans le générateur de vapeur dans lequel règne une haute pression.

Le cycle de fonctionnement de chaque réservoir intermédiaire se compose de trois étapes, ces trois étapes se distinguent l'une de l'autre par l'ouverture d'une ou plusieurs des quatre vannes équipant ledit réservoir intermédiaire, et de garder les autres vannes fermées: une première étape d'admission de la vapeur et d'évacuation de l'eau vers l'accumulateur de pression; suivit par la deuxième étape d'échappement isochore de la vapeur vers la ligne de condensation; suivit par la troisième étape de remplissage d'eau et d'évacuation de la vapeur vers la ligne de condensation, l'exécution de chaque étape doit répondre aux conditions suivantes: l'exécution de la première étape est conditionnée par l'envoi d'un signal du détecteur de niveau d'eau haut vers le système numérique de contrôle-commande, ce dernier vérifie si les deux autres étapes dans les deux autres réservoirs sont terminées, dans l'affirmative, il commande l'ouverture simultanée de la vanne d'entrée de la vapeur et celle de la sortie de l'eau vers l'accumulateur de pression, et toutes les autres vannes doivent être fermées, cette situation est maintenue jusqu'à ce que le détecteur de niveau d'eau bas, envoie un signal au système numérique de contrôle-commande; à la réception du signal issu du détecteur de niveau d'eau bas par le système numérique de contrôle-commande, ce dernier vérifie si les deux autres étapes dans les deux autres réservoirs sont terminées, dans l'affirmative, il commande l'exécution de la deuxième étape qui consiste en la fermeture simultanée des vannes ouvertes au cours de la première étape, avant l'ouverture de la vanne de sortie de la vapeur vers l'étage de liquéfaction; toutes les autres vannes doivent être fermées. Cette étape correspond à la détente de la vapeur, et se termine lorsque la pression à l'intérieur du réservoir intermédiaire chute à 1 bar. En ce moment, le capteur de pression envoie un signal au système numérique de contrôle-commande, marquant ainsi la fin de cette étape; à la réception du signal issu du capteur de pression d'eau bas par le système numérique de contrôle-commande, ce dernier vérifie si les deux autres étapes dans les deux autres réservoirs sont terminées, dans l'affirmative, il commande l'exécution de la troisième étape, qui consiste en l'ouverture de la vanne d'entrée d'eau dans le réservoir intermédiaire tout en maintenant la vanne de sortie de la vapeur ouverte, et les autres vannes doivent être fermées. Cette étape correspond à l'évacuation de la vapeur résiduelle détendue, et au remplissage du réservoir en eau pour le préparer à un nouveau cycle. Cette étape se termine avec le remplissage du réservoir en eau, et. il est signalé au système de contrôle-commande par le détecteur de niveau d'eau haut.

La méthode de synchronisation du fonctionnement d'un groupe de réservoirs intermédiaires se base sur le cycle de fonctionnement d'un seul réservoir intermédiaire; et elle vise à assurer une continuité d'un courant d'eau vers la boucle hydraulique de telle sorte que, quand l'évacuation de l'eau vers la boucle hydraulique se termine dans un réservoir, elle doit reprendre dans le réservoir suivant. Puisque le cycle de fonctionnement d'un réservoir se compose de trois étapes, alors un groupe de trois réservoirs intermédiaires répond parfaitement à cette exigence, la méthode de synchronisation consiste donc à faire exécuter les trois étapes en même temps, mais, chacune dans un réservoir différent. Ainsi, au cours d'un fonctionnement normal, quand la première étape est en train de s'exécuter dans le premier réservoir, la troisième étape doit être en cours d'exécution dans le deuxième, et la deuxième étape doit être en cours d'exécution dans le troisième réservoir, les étapes doivent commencer simultanément, à condition que les étapes soient terminées dans les trois réservoirs, cette méthode nécessite un système numérique de contrôle commande.

Les propriétés physiques du propane: il n'est soluble dans l'eau qu'en quantité très infime (75 milligrammes par litre à 20°C), donc sa mise en contact avec l'eau ne pose pas de problème pour le bon fonctionnement du cycle thermodynamique, surtout dans les conditions où il est mis en contact direct avec l'eau, comme c'est le cas dans les réservoirs intermédiaires, et dans l'accumulateur de pression; En plus de son bas point d'ébullition (- 42 °C) et sa bonne pression de vapeur saturante à température ambiante (océans et atmosphère) dans les régions tropicales (où la température est de l'ordre de 25 °C, ce qui correspond à une pression de 9,5 bars environ.); en plus de la disponibilité de son diagramme enthalpique de MolUer sur lequel est tracé le cycle de travail selon le fonctionnement dudit convertisseur objet de cette invention.

L'usage du propane comme fluide de travail dans ledit convertisseur objet de cette invention permet d'extraire des calories des milieux dont la température est comprise ente -15 °C, à 80 °C; pour des températures comprises entre -15 °C à 30 °C, le convertisseur produit du froid en plus de l'électricité, et entre 30 °C et 80 °C, il a tendance à produire de la chaleur en plus de l'électricité.

L'écart de température entre le point d'ébullition et le point critique est très intéressant. D'un point de vue théorique, et selon le convertisseur proposé par cette invention, tout cycle tracé entre ces températures extrêmes doit fonctionner pour produire de l'électricité avec une efficacité plus ou moins bonne selon l'aplatissement du cycle. Alors, il y a plusieurs possibilités de tracer des cycles différents, qui peuvent être classés en trois catégories. Une catégorie qui produit de l'électricité et du froid, une catégorie qui produit de l'électricité, et une catégorie qui produit de la chaleur et de l'électricité, il y a aussi la possibilité de faire un cycle étagé, pour produire de l'électricité de la chaleur et du froid en même temps. Le plus important dans cette possibilité est rendre le convertisseur applicable dans tous les endroits de la terre, car l'eau liquide existe même sous la banquise dans les régions polaires.

Cas des régions tempérées, où la température de l'eau de mer est de 25 degrés Celsius. À cette température, le propane: gaz de pétrole liquéfié(GPL), a une pression de vapeur saturante égale à 8,5 bars(pression relative), et un volume massique de 50 litres, comme si 1 kg de propane, en se vaporisant, il est capable de déplacer un volume d'eau à une hauteur de 85 mètres , ce qui représente une énergie potentielle Ep = m.g.h - 42,5 KJ. Même avec une turbine hydraulique de mauvais rendement 75 %, et compte tenu d'une consommation d'énergie électrique pour alimenter les auxiliaires de l'unité, le bilan global restera supérieur à 50 %.

Cas d'une source chaude, où la température de l'eau est de 78 degrés Celsius. À cette température, le propane: gaz de pétrole liquéfié(GPL), a une pression de vapeur saturante égale à 30 bar(relative). Une telle pression n'aura aucun effet sur le rendement de l'installation fonctionnant selon le procédé objet, de cette invention, mais aura des conséquences sur le coût des équipements qui va augmenter énormément, alors, ici un changement du fluide travail s'impose, le butane ou l'isobutane ou autres, seront mieux adaptés à ce genre de situation.

Cas des régions froides, où la température de l'eau de mer est voisine de zéro degré Celsius. À cette température, le propane gaz de pétrole liquéfié(GPL), a une pression de vapeur saturante égale à 5 bars(pression relative), et un volume massique de 100 litres, si on convertit cette énergie de pression en énergie potentielle Ep = mgh = 40 Kj. L'avantage de travailler avec des basses pressions, est la possibilité d'utiliser la matière plastique moins cher.

Selon une réalisation particulière préférée, et conformément au convertisseur proposé par cette invention, elle consiste en une micro-installation individuelle d'une puissance d'un kilowatt (1 KW). la conception d'une telle installation dépend des paramètres liés au lieu de travail; du choix du fluide de travail; et des paramètres dépendants de la géométrie de la machine; ces derniers paramètres dépendent du choix du concepteur d'un tel projet.

Le lieu impose la température ambiante (eau de mer ou atmosphère); et le choix du fluide de travail impose une pression de vapeur saturante, et par conséquent impose la vitesse de l'eau qui.agit.sur.la.turbine.hydraulique. La puissance de l'installation est. le choix du concepteur. Ce choix peut varier d'une installation de quelques kilowatts, à des installations de l'ordre du gigawatt, voire même plus. Généralement ce qui fait la différence entre une petite et une grande installation est le nombre des générateurs de vapeur constituant l'étage des générateurs de vapeur ; le nombre de groupes de réservoirs intermédiaires et le volume des réservoirs, le nombre des boucles hydrauliques et les dimensions de la turbine ou des turbines hydrauliques, ainsi que le nombre des lignes de condensation.

En ce qui concerne l'installation d'une puissance d'un kilowatt, on part d'une température ambiante T = 25 °C; le propane est le fluide travail, sa pression de vapeur saturante = 9,5 bars, volume massique = 50 litres; la pression à l'intérieur de l'accumulateur de pression qui alimente en eau la turbine hydraulique est fixée à 9 bars, à partir de cette pression on calcule la vitesse de l'eau qui agit sur la turbine hydraulique cette vitesse est de 40 m/s environ, avec un débit massique de 1,25 kg/s d'eau. la durée d'un cycle qui est en relation avec le volume des réservoirs intermédiaires, et la vitesse de liquéfaction de la vapeur. Dans le cas de l'installation d'une puissance d'un kilowatt, une durée de 5 minutes par cycle est raisonnable, ceci impose un volume des réservoirs intermédiaires de 125 litres chacun, et des réservoirs des séparateurs de phases d'un volume de 5 litres chacun, la vitesse de liquéfaction de la vapeur joue un rôle important sur la durée du cycle, puisque la vitesse de la vapeur doit être dans les normes, une vitesse de 30 m est raisonnable, et il faut adapter la section des conduites dans lesquelles circule la vapeur. la surface d'échange de chaleur d'un tube en cuivre de diamètre 25 mm, d'épaisseur 3 mm, et d'une longueur de 2,5 m, est capable de générer 1,25 litres de vapeur par seconde.

Selon une réalisation préférée du convertisseur objet de cette invention, qui consiste à installer tous les composants du convertisseur à bord d'une plate-forme flottante ou fixe, installée en mer non loin de la côte. Une telle installation est dite une installation maritime, elle bénéficie des avantages de la capacité thermique élevée de l'eau, et de l'agitation incessante de l'eau de mer qui se renouvelle d'elle-même en permanence, ce qui permet de faire des économies concernant la surface d'échange de chaleur des générateurs de vapeur.

En plus de la production d'électricité, l'installation peut utiliser en partie ou en totalité l'électricité produite, pour le dessalement d'eau de mer. Pour faciliter l'accès à plate-forme, et faciliter le raccordement électrique au réseau publique et le raccordement de la tuyauterie aux installations implantées à terre, il serait judicieux qu'elle soit très proche de la côte. Il est indispensable de veiller à ce que les générateurs de vapeur scient en permanence immergés dans l'eau. Dans une installation maritime, l'utilisation du propane ou autre fluide similaire comme fluide travail est le bon choix.

Selon une autre réalisation préférée du convertisseur objet de cette invention, qui consiste à monter uniquement l'étage générateur de vapeur à bord d'une plate-forme flottante comme indique précédemment, tout le reste de l'installation sera implanté à terre. Une telle installation bénéficie des avantages d'une installation maritime, et des avantages d'une installation à terre qui évite au personnel qui veille sur la bonne marche de l'installation de se déplacer vers la plate-forme flottante. Dans ce type d'installation, l'usage du propane où un autre fluide similaire comme fluide travail est le bon choix.

Selon une autre réalisation préférée du convertisseur objet de cette invention, consiste à monter tous les étages constituant le convertisseur à bord d'un grand bateau ou à bord d'un sous-marin pour produire de l'électricité pour la propulsion et pour tous les autres services à bord, y compris la production d'eau douce. Une telle réalisation aura des conséquences positives sur le transport maritime international. L'utilisation du propane ou un autre fluide similaire comme fluide travail est le bon choix.

Selon une autre réalisation préférée du convertisseur objet de cette invention, consiste à monter tous les étages constituant ledit convertisseur à terre. Une telle installation est dite une installation terrestre ou atmosphérique, et elle exige une surface d'échange thermique plus grande et une ventilation, et donc un investissement plus grand. Mais dans certaines conditions, une telle installation peut s'avérer très utile voire même indispensable, comme par exemple l'électrification des endroits isolés.

Selon une autre réalisation préférée du convertisseur objet de cette invention, consiste à pomper l'eau de mer vers une installation terrestre. Si le problème de la disponibilité de l'espace tout près de la mer ne se pose pas pour l'implantation de la station, malgré la consommation inévitable de l'énergie électrique par les pompes, l'installation sera plus avantageuse en comparaison avec une installation atmosphérique utilisant l'air comme source de chaleur chaleur.

Selon une autre réalisation préférée du convertisseur objet de cette invention, est d'utiliser ledit convertisseur pour produire de l'électricité et du froid. Dans ce cas il faut installer le générateur de vapeur du dudit convertisseur dans l'endroit dont on veut extraire les calories, comme par exemple: une chambre froide.

Selon une autre réalisation préférée du convertisseur objet de cette invention, est d'utiliser le principe de fonctionnement dudit convertisseur pour produire de l'électricité en fabriquant des modèles réduits de quelques kilowatts pour usage personnel, montés sur des chariots mobiles.

Brève description des dessins

Dans les dessins qui illustrent l'invention, la figure 1 est un tracé du cycle thermodynamique spécial sur un diagramme enthalpique de Mollier du propane R-290, illustrant les différentes transformations subites par le propane au cours de ce cycle. la figure 2 est une illustration des différents étages du cycle thermodynamique spécial, représentant symboliquement l'étage des générateurs de vapeur; l'étage de conversion d'énergie contenant un groupe de 3 réservoirs intermédiaires et la boucle hydraulique; l'étage de liquéfaction contenant une ligne de condensation avec les séparateurs de phases et les détendeurs-régulateurs de pression; et enfin les pompes à condensat et le compresseur de la vapeur résiduelle non condensée y compris les échangeurs thermiques de récupération du froid pour autres usage divers. la figure 3 est une représentation schématique d'un réservoir intermédiaire et les accessoires nécessaires pour son fonctionnement normal; les lignes discontinues représentent les circuits reliant les différents capteurs avec le système numérique de contrôle-commande, et les circuits de commande des actionneurs qui exécutent l'ouverture ou la fermeture des différentes vannes.

Description détaillée:

Le diagramme qui convient le mieux pour tracer le cycle thermodynamique spécial, est le diagramme enthalpique de Mollier du propane. Ce diagramme est connu aussi sous le nom du diagramme des frigoristes, qui est un diagramme spécifique pour chaque fluide de travail. C'est un diagramme de grande utilité pour le traçage du cycle thermodynamique. Il permet d'effectuer la lecture directe de certains paramètres, l'abscisse (barre horizontale) désigne la valeur de l'enthalpie massique (en KJ/Kg) et en ordonné (barre verticale), la valeur de la pression (en bar absolu) à l'échelle logarithmique, les lignes verticales désignent des isenthalpes, et les lignes horizontales désignent des isobares. La courbe de saturation en forme de cloche définit l'état du fluide de travail, avec à son sommet le point critique de ce dernier. Les isotitres représentent le rapport de la masse de la vapeur par rapport à la masse totale du fluide. Les isochores représentent des courbes où le volume ne change pas au cours d'une transformation, elles se coupent avec la courbe de rosée (coté gauche), traversent la courbe de saturation tout en tendant vers les basses pressions, et s'approchant de plus en plus de la courbe d'évaporation (côté droit) sans se couper avec elle.

Le propane possède des propriétés physiques intéressantes. D'abord, il n'est soluble dans l'eau qu'en quantité très infime (75 milligrammes par litre à 20°c), donc sa mise en contact avec l'eau ne pose pas de problème pour le fonctionnement du cycle thermodynamique; mais le circuit d'eau contaminé doit être confiné. À 25°c (température supposée celle du milieu où est placé le générateur de vapeur), sa pression de vapeur saturante est égale à 9,5 bars environ, et son volume massique est égal à 50 litres environ, et c'est précisément ses deux propriétés qui seront exploitées pour produire un travail utile, le propane possède un point d'ébullition très bas -42°C, il permet de produire du froid par la méthode de liquéfaction de la vapeur. La température du point critique 97,5°C élevée permet d'exploiter d'autres sources de chaleur de récupération de température inférieur 90° c.

Conformément au convertisseur proposé par cette invention, et en se référant aux dessins, la figure 1 montre le tracé du cycle thermodynamique spécial sur le diagramme de Mollier du propane. La température du lieu (eau de mer ou atmosphère) est supposée égale à 25°C. Le tracé dudit cycle illustre les différentes transformations subites par le propane depuis son introduction dans le générateur de vapeur à l'état liquide. Le segment de droite horizontal (1-2) représente le processus isobare d'évaporation qui se déroule dans le générateur de vapeur. L'escalier représenté par les segments (2-6, 6-9, 9-7, 7-10, 10-8, 8-3), représente la détente isenthalpique étagée. Le segment (3-4) représente une transformation isobare secondaire, et enfin, les segments (4-5 et 5-1) représentent la compression du condensat pour pouvoir l'injecter dans le générateur de vapeur.

Conformément au convertisseur proposé par cette invention, et en se référant aux dessins, la figure 2 est une représentation schématique très simplifiée et comportant le minimum d'équipements, elle représente les étages constituants l'installation dudit convertisseur: l'étage des générateurs de vapeur (11) doit contenir au moins un générateur de vapeur (110); et l'étage de conversion d'énergie de la vapeur (12) doit contenir au moins un groupe de trois réservoirs intermédiaires (15); l'étage de liquéfaction de la vapeur (13) doit contenir au moins un condenseur comprenant au minimum une ligne de condensation; et enfin, l'étage de pompage (14) constitué par l'ensemble des pompes à condensats (42) et par le compresseur (43) de la vapeur non condensée. Toujours selon la figure 2, la boucle hydraulique est un circuit hydraulique confiné (pour éviter tout contact direct de l'eau avec l'atmosphère, car elle contient des traces du propane en solution), dans lequel circule de l'eau douce en circuit fermé. Ladite boucle est constituée par le groupe de réservoirs intermédiaires (15) appartenant aussi au cycle thermodynamique spécial; d'un accumulateur de pression (16); d'une turbine hydraulique (19) couplée à un générateur électrique (20); d'un bac à eau (17) pour recevoir l'eau quittant le turbine (19); et d'une pompe hydraulique (18). Le rôle de cette dernière est d'évacuer l'eau du bac (1.7) et la refouler vers ledit réservoir intermédiaire (15) disponible.

Toujours selon la figure 2. Le fonctionnement de la boucle hydraulique dépend totalement du fonctionnement du cycle thermodynamique spécial, l'échange d'énergie entre ces deux circuits se déroule dans le réservoir intermédiaire (15), grâce à la pression de la vapeur exercée sur l'eau contenue dans ledit réservoir (15), qu'elle est contrainte de s'échapper vers l'accumulateur de pression (16), qui est un réservoir pressurisé, jouant le rôle de régulateur de débit, car il est conçu pour supporter les irrégularités sur son entrée (160), et fournir un débit d'eau constant, sur sa sortie (161) pour alimenter une turbine hydraulique (19); après avoir quitté ladite turbine (19), l'eau est recueillie dans un bac (17), puis aspirée par une pompe hydraulique (18), et refoulée vers le réservoir intermédiaire disponible (15).

Toujours selon la figure 2, l'accumulateur de pression (16) est un réservoir pressurisé. Il possède une entrée (160) et une sortie (161) d'eau au niveau de la partie occupée par l'eau, et possède aussi une entrée (162) et une sortie (163) de la vapeur au niveau de la chambre à vapeur. Il est rempli à moitié de son volume par de l'eau douce (22), et l'autre moitié est occupée par de la vapeur du fluide travail, formant une chambre à vapeur (21) qui le maintient sous pression; cette chambre à vapeur est alimentée en vapeur à partir du générateur de vapeur à travers un régulateur de pression (164) installé à l'entrée de la vapeur (162); et l'échappement se fait par une soupape de décharge (165) installée à la sortie de la vapeur (163) vers la ligne de condensation.

La pression à l'intérieur dudit accumulateur de pression (16) doit nécessairement être inférieur à la pression de vapeur saturante qui règne dans le générateur de vapeur (110) et dans le réservoir intermédiaire (15) qui refoule l'eau vers lui, et elle doit être maintenue constante. Le système de régulation constitué par le régulateur de pression (164) et par la soupape de décharge (165) veille à maintenir une pression préréglée constante pour compenser les irrégularités du débit d'eau entrant causées par l'ouverture et la fermeture des vannes (25) du groupe de réservoirs intermédiaires (15), et pour assurer un débit d'eau constant sortant vers la turbine hydraulique: quand la pression tend vers la baisse, le régulateur (164) laisse passer la vapeur pour compenser cette baisse, et quand la pression tend à augmenter, la soupape de décharge (165) laisse la vapeur s'échapper vers la ligne de condensation. Conformément au convertisseur objet de cette invention et en se référant aux dessins, la figure 3, chaque réservoir intermédiaire (15) d'un groupe, doit être calorifugé, sa forme doit être de préférence cylindrique, et monté en position verticale. En plus, chaque réservoir doit posséder sur sa partie haute une entrée de la vapeur (24) venant du générateur de vapeur, équipée d'une vanne d'arrêt motorisée (23) et une sortie de la vapeur (26) vers l'étage de liquéfaction équipée d'une vanne d'arrêt motorisée (25. Sur sa partie basse, il doit posséder une entrée d'eau (30) venant de la pompe de la boucle hydraulique, équipée d'une vanne d'arrêt motorisée (29) et une sortie d'eau (28) vers l'accumulateur de pression équipées d'une vanne d'arrêt motorisée (27). Toutes les vannes d'arrêts motorisées sont asservis par le système numérique de contrôle-commande. Chaque réservoir intermédiaire doit être équipé de capteurs, tels que des détecteurs de niveau d'eau (31) et (32), et des capteurs de pression (33).

Toujours selon la figure 3, le cycle de fonctionnement de chaque réservoir intermédiaire se compose de trois étapes, ces trois étapes se distinguent l'une de l'autre par l'ouverture d'une ou plusieurs des quatre vannes équipant ledit réservoir intermédiaire et de garder les autres fermées: une première étape d'admission de la vapeur et d'évacuation de l'eau vers l'accumulateur de pression: suivit par la deuxième étape d'échappement isochore de la vapeur vers la ligne de condensation; suivit par la troisième étape de remplissage d'eau et d'évacuation de la vapeur vers la ligne de condensation, l'exécution de chaque étape doit répondre aux conditions suivantes: l'exécution de la première étape est conditionnée par l'envoi d'un signal du détecteur de niveau d'eau haut (31) vers le système numérique de contrôle-commande (34), ce dernier vérifie si les deux autres étapes dans les deux autres réservoirs sont terminées, dans l'affirmative, il commande l'ouverture simultanée de la vanne d'entrée de la vapeur (23) et celle de la sortie de l'eau (27) vers l'accumulateur de pression, les deux autres vannes (25) et (29) doivent être fermées, cette situation est maintenue jusqu'à ce que le détecteur de niveau d'eau bas (32), envoie un signal au système numérique de contrôle-commande (34); à la réception du signal issu du détecteur de niveau d'eau bas (32) par le système numérique de contrôle-commande (34), ce dernier vérifie si les deux autres étapes dans les deux autres réservoirs sont terminées, dans l'affirmative, il commande l'exécution de la deuxième étape qui consiste en la fermeture simultanée des vannes ouvertes (23), et (27) au cours de la première étape, avant l'ouverture de la vanne de sortie (25) de la vapeur vers l'étage de liquéfaction; les trois autres vannes (23, 27 et 29) doivent être fermées. Cette étape correspond à la détente de la vapeur, et se termine lorsque la pression à l'intérieur du réservoir intermédiaire chute à un bar(l bar). En ce moment, le capteur de pression 33 envoie un signal au système numérique de contrôle-commande, marquant ainsi la fin de cette étape; à la réception du signal issu du capteur de pression (33) par le système numérique de contrôle-commande (34), ce dernier vérifie si les deux autres étapes dans les deux autres réservoirs sont terminées, dans l'affirmative, il commande l'exécution de la troisième étape, qui consiste en l'ouverture de la vanne d'entrée d'eau (29) dans le réservoir intermédiaire tout en maintenant la vanne de sortie de la vapeur (25) ouverte, et les deux autres vannes (23 et 27) doivent être fermées. Cette étape correspond à l'évacuation de la vapeur détendue, et au remplissage du réservoir (15) en eau pour le préparer à un nouveau cycle. Cette étape se termine avec le remplissage du réservoir en eau, et elle est signalée au système de contrôle-commande (34) par le détecteur de niveau d'eau haut (31).

La méthode de synchronisation du fonctionnement d'un groupe de réservoirs intermédiaires se base sur le cycle de fonctionnement d'un seul réservoir; et elle vise à assurer une continuité d'un courant d'eau vers la boucle hydraulique de telle sorte que, quand l'évacuation de l'eau, vers la boucle hydraulique se termine dans un réservoir, elle doit reprendre dans le réservoir suivant. Puisque le cycle de fonctionnement d'un réservoir se compose de trois étapes, alors un groupe de trois réservoirs intermédiaires répond parfaitement à cette exigence, la méthode de synchronisation consiste donc à faire exécuter les trois étapes en même temps, mais, chacune dans un réservoir différent. Ainsi, au cours d'un fonctionnement normal, quand la première étape est en train de s'exécuter dans le premier réservoir, la troisième étape doit être en cours d'exécution dans le deuxième, et la deuxième étape doit être en cours d'exécution dans le troisième réservoir. Les étapes doivent commencer simultanément, à condition que les étapes précédentes soient terminées dans les trois réservoirs, cette méthode nécessite un système numérique de contrôle commande.

Conformément au convertisseur proposé par cette invention, et en se référant aux dessins figure 1 et figure 2, la méthode de liquéfaction consiste à faire subir à la vapeur sous pression contenue dans le réservoir intermédiaire 15, une détente isenthalpique étagée. Cette méthode exige à laisser la vapeur s'échapper vers le dernier séparateur 41 basse pression dans lequel règne une pression égale à un bar (1 bar), à travers la ligne de condensation.

Dès le démarrage de la détente isochore, au moment de l'ouverture de la vanne de la sortie de la vapeur (25) du réservoir intermédiaire (15), on peut considérer que le fluide quittant ledit réservoir est un mélange diphasique. Ce dernier arrive dans le premier séparateur (35) de la ligne de condensation, la phase liquide est retenue, et la phase vapeur continue son chemin vers le premier détendeur-régulateur (36) de pression réglé à sept bares.

Cette première étape de la détente isenthalpique étagée, donne à la sortie dudit détendeur pendant un temps très court une vapeur surchauffée représentée par le petit segment horizontal délimité par les points (6-6')(figure 1), puis, après un certain temps on obtient un mélange diphasique majoritairement à l'état de vapeur d'une température de 14°C. Ce mélange diphasique arrive dans le deuxième séparateur (37), la phase liquide est retenue et la phase vapeur continue son chemin vers le deuxième détendeur-régulateur (38) réglé à deux bars.

Cette deuxième étape de la détente isenthalpique étagée, donne à la sortie dudit régulateur un mélange diphasique d'un titrage moyen, ayant une température égale à - 26°C. Ce mélange diphasique arrive dans le troisième séparateur (39), la phase liquide est retenue et la phase vapeur continue son chemin vers le troisième détendeur-régulateur

(40) réglé à un bar.

Cette troisième et dernière étape de la détente isenthalpique étagée, donne à la sortie dudit régulateur un mélange diphasique majoritairement à l'état liquide ayant une température égale à -42°C. Ce mélange diphasique arrive dans le quatrième séparateur

(41), la phase liquide est retenue et la. phase vapeur est aspirée par un compresseur (43) est réintroduite dans la ligne de condensation pour recyclage. Tous les condensats retenus dans chacun des séparateurs seront soutirés par des pompes à condensat (42), puis passés dans des échangeurs thermiques (43) pour exploiter leur froid, et pour réchauffer le condensat avant sa réintroduction dans le générateur de vapeur.

Dans la ligne de condensation, et conformément à la figure 1 et 2, une interprétation graphique permet de mieux expliquer les conséquences de l'échappement du mélange diphasique du réservoir intermédiaire sur la détente isenthalpique étagée représentée par l'escalier dessiné en lignes continues formées par les segments (2-6, 6-9, 9-7, 7-10, 10-8 et 8-3).

Signalons que l'ouverture du détendeur-régulateur est fonction de l'écart de pression entre son entrée et sa sortie, et signalons aussi que les séparateurs de phases retiennent la phase liquide et laissent passer uniquement la phase vapeur. Au début de la détente isenthalpique, la vapeur arrive sur l' entrée de chaque détendeur-régulateur (36, 38, 40) avec un écart de pression maximal, voir les segments verticaux (2-6, 9-7 et 10-8); puis, avec le temps, le premier détendeur-régulateur (36) va commencer à s'ouvrir en conséquence de la chute progressive de pression sur son entrée; comme si le segment de l'isenthalpe (2-6) compris entre le tronçon de la courbe de l'isochore 50 litres (56), et l'isobare sept bars, se déplace horizontalement sur le segment (6-9), et devient de plus en plus petit, jusqu'à ce que les points (2 et 6) se confondent avec le point (9) quand la pression chute à sept, bars; en ce moment, le premier détendeur-régulateur (36) se trouve complètement ouvert.

Maintenant, avec la pression qui continue de chuter, c'est le tour du deuxième détendeur-régulateur (38) qui est affecté par la chute de pression sur son entrée. Au départ l'écart de pression (9-7) est maximal, puis avec le temps, cet écart devient de plus ne plus petit, comme si le segment de l'isenthalpe (9-7) compris entre le tronçon de la courbe de l'isochore cinquante litres (56), et l'isobare deux bars se déplace horizontalement sur le segment (7-10), et devient de plus en plus petit, jusqu'à ce que les points (9) et (7) se confondent au point (10) quand la pression chute à deux bars; en ce moment, le deuxième détendeur-régulateur se trouve complètement ouvert. la même chose arrive au troisième détendeur-régulateur (40), dès que le deuxième détendeur-régulateur (38) se trouve complètement ouvert. La pression sur son entrée qui était stable pendant toute la détente lorsque les deux détendeurs-régulateurs (36, 38) étalent opérationnels, maintenant, la pression va commencer à chuter sur son entrée, ce qui va se répercuter sur l'écart de pression (10-8) entre son entrée et sa sortie; comme si le segment de l'isenthalpe (10-8) compris entre le tronçon de la courbe d'isochore cinquante litres, et. l'isobare un bar, se déplace horizontalement sur le segment (8-3), et devient de plus en plus petit, jusqu'à ce que les points (10) et (8) se confondent avec le point (3) quand la pression chute à un bar; en ce moment, le troisième détendeur-régulateur (40) se trouve complètement ouvert. Il doit être entendu que la description détaillée qui précède, est un exemple dont le but est de faciliter la compréhension du fonctionnement dudit convertisseur d'énergie, et n'a aucun caractère limitatif, car même si le principe de fonctionnement reste le même, les options de réalisation sont très variées.