DOMAINE DE L'INVENTION

La présente invention concerne les systèmes de production d'énergie électrique ou mécanique.

Elle trouve pour application avantageuse les systèmes de production d'énergie de petite puissance, faisant appel à un cycle thermodynamique de Rankine. Elle s'appliquera par exemple à la production d'énergie à partir des rejets thermiques produits par des usines, par des moteurs de véhicules ou à partir de la chaleur issue de systèmes récupérant de l'énergie solaire ou issue de la biomasse.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE

Il existe de nombreuses solutions pour produire de l'électricité ou une énergie mécanique à partir d'une source de chaleur.

Certaines de ces solutions sont décrites dans les documents suivants : CN103775145, JP H05 1 18206, DE 10 2009 031 15.

Parmi les solutions connues figurent les machines génératrices basées sur un cycle de Rankine. Les cycles de Rankine reposent tous sur des transformations comprenant successivement: le pompage d'un fluide de travail sous forme liquide, la création de vapeur et sa surchauffe éventuelle, la détente de la vapeur pour générer un mouvement et la condensation de la vapeur. Le fluide de travail peut être choisi parmi l'eau, le dioxyde de carbone ou un fluide organique. Dans le dernier cas, on parle de cycle organique de Rankine. La majorité des systèmes de production électrique thermique sont basés sur l'utilisation de tels cycles.

Une machine reposant sur un cycle de Rankine, est, de manière connue, constituée de quatre organes principaux, à savoir :

- une pompe permettant la mise en circulation du fluide et la remontée de sa pression ;

- un échangeur chaud exploitant la source de chaleur disponible à valoriser ;

- un expanseur ou organe de détente transformant la variation d'enthalpie du fluide en travail mécanique, puis en travail électrique en présence d'une génératrice également désignée alternateur ;

- un échangeur froid permettant la condensation de la vapeur restante après détente.

C'est sur ce type de cycle thermodynamique que se base la majorité des centrales nucléaires, des centrales thermiques à charbon, ou encore des centrales thermiques à fuel lourd, afin de produire des puissances élevées. Pour ces applications, les sources chaudes présentent une puissance et une température très élevées.

Les industries de transformation, par exemple la métallurgie, la chimie ou encore la papeterie, génèrent des rejets thermiques à basse température, c'est-à-dire des rejets thermiques dont la température est le plus souvent inférieure à 200°C voire inférieure à 150°C. Les systèmes basés sur un cycle de Rankine permettraient théoriquement de produire de l'énergie électrique ou mécanique à partir de ces rejets thermiques. Cependant, les puissances qui pourraient être produites seraient alors relativement faibles, typiquement de l'ordre de quelques kilowatts à une centaine de kilowatts pour des rejets thermiques inférieurs au mégawatt, à cause du rendement thermodynamique faible.

A ces niveaux de températures et de puissances il n'existe à ce jour aucune solution de valorisation réellement satisfaisante, en raison des investissements nécessaires et des rendements de conversion qui ne sont pas considérés comme suffisants. Ces rejets thermiques à basse température sont alors en pratique peu exploités et valorisés. Il en est de même pour la chaleur produite par les moteurs thermiques de véhicules terrestres ou nautiques.

Une solution a été décrite dans le document CN102562179. La figure 1 illustre le système selon cet art antérieur. Il s'agit dans ce cas d'un cycle sous-critique. Ce circuit comprend une pompe 150, un échangeur chaud 1 10, un expanseur 120 et un échangeur froid 130 disposés de manière à effectuer un cycle de Rankine comme indiqué ci-dessus. Par ailleurs, le circuit comprend un injecteur 100 et une pompe additionnelle 152. La sortie de l'injecteur 100 est connectée à l'entrée de l'échangeur froid 130 (condenseur). Les deux entrées de l'injecteur 100 sont connectées d'une part à la sortie de l'expanseur 120 et d'autre part à la sortie de la pompe additionnelle 152 dont l'entrée est connectée à la sortie de l'échangeur froid 130.

L'utilisation de cette deuxième pompe 152 en entrée d'injecteur 100 complexifie l'installation et réduit le rendement global.

Il existe donc un besoin consistant à proposer une solution permettant de valoriser plus aisément les sources chaudes présentant une température possiblement peu élevée. Plus précisément, il existe un besoin consistant à proposer un système présentant un coût moindre à rendement sensiblement égal ou amélioré et ceci en particulier pour des sources chaudes aux températures relativement faibles.

RESUME DE L'INVENTION

La présente invention concerne un système de production d'énergie électrique ou mécanique comprenant un circuit fluidique dans lequel circule un fluide de travail organique et comprenant une pluralité d'organes traversés par le fluide de travail et parmi lesquels : au moins un premier échangeur de chaleur configuré pour être couplé thermiquement à au moins une première source de chaleur, un expanseur dont une entrée est fluidiquement raccordée à une sortie du premier échangeur, un deuxième échangeur de chaleur configuré pour être couplé thermiquement à une deuxième source de chaleur plus froide que la première source de chaleur et une pompe, le circuit étant configuré de manière à ce que le fluide de travail mis en mouvement par la pompe passe successivement par au moins la pompe, le premier échangeur, l'expanseur et le deuxième échangeur, puis à nouveau la pompe.

Avantageusement, le système comprend un injecteur comprenant : une première entrée fluidiquement raccordée à une sortie du deuxième échangeur de chaleur, une deuxième entrée fluidiquement raccordée à la sortie du premier échangeur et une sortie fluidiquement raccordée à une entrée de ladite pompe.

Avantageusement, le système est configuré de manière à ce que la deuxième entrée de l'injecteur soit fluidiquement connectée en aval du premier échangeur et strictement en amont de l'expanseur. L'amont et l'aval en un point donné sont pris en référence au sens de circulation du fluide dans le circuit. Ainsi la deuxième entrée de l'injecteur est fluidiquement connectée entre la sortie du premier échangeur et l'entrée de l'expanseur. L'invention permet ainsi de rehausser la pression du fluide de travail en entrée de pompe. Cela permet de la soulager et donc de réduire sa consommation. Par ailleurs, le prix et la complexité d'une pompe augmentant significativement avec la puissance qu'elle doit développer, l'invention permet, pour un rendement identique ou sensiblement identique, de réduire significativement le prix et la complexité de la pompe.

En outre, le circuit proposé par l'invention permet d'augmenter la marge à la cavitation au niveau de la pompe, rendant le système plus fiable et réduisant l'usure de la pompe.

L'invention propose ainsi une solution efficace pour valoriser les rejets thermiques présentant des températures relativement basses.

Avantageusement, la deuxième entrée de l'injecteur est fluidiquement connectée en aval du premier échangeur et strictement en amont de l'expanseur. Ainsi selon ce mode de réalisation la deuxième entrée de l'injecteur n'est pas connectée en aval de l'expanseur ou à l'expanseur lui-même, par exemple un étage intermédiaire de ce dernier.

De préférence, le système est configuré de manière à ce qu'en sortie du premier échangeur le fluide de travail est amené dans un état supercritique.

De manière conventionnelle, on qualifie d'état supercritique l'état d'un fluide chauffé au-delà de sa température critique et comprimé au-dessus de sa pression critique. De manière connue, les propriétés physiques d'un fluide supercritique (densité, viscosité, diffusivité) sont souvent intermédiaires entre celles des liquides et celles des gaz.

Ainsi, le système est configuré de manière à ce que la pression et la température du fluide de travail en sortie du premier échangeur soient supérieures aux pressions et températures critiques du fluide de travail. Selon un mode de réalisation avantageux, le fluide est ainsi amené au-delà de son point critique. Le système fonctionne alors selon un cycle de Rankine supercritique. La différence de température entre le fluide de travail et la source chaude est alors moindre entraînant de ce fait une dissipation énergétique moins élevée. L'efficacité globale du système est alors améliorée tout en conservant une fiabilité élevée et une complexité limitée.

Selon un mode de réalisation avantageux mais non limitatif, le fluide de travail est un fluide organique. Ce type de fluide permet d'atteindre un régime supercritique même à des températures relativement basses en sortie d'échangeur chaud. On entend par fluide organique, un fluide composé de molécules ou d'un mélange de molécules constituées d'atomes de carbone, d'hydrogène et éventuellement d'autres atomes tels que par exemple l'oxygène, le fluor, l'azote, le chlore, le brome.

Dans un autre mode de réalisation, le fluide de travail n'est pas un fluide organique.

Dans la présente description, l'expression « A fluidiquement raccordée à B» ne signifie pas nécessairement qu'il n'existe pas d'organe entre A et B. La présente invention concerne également un procédé pour produire de l'énergie électrique ou mécanique à partir du système selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant au moins les étapes suivantes:

- une étape de montée en pression du fluide de travail au travers de la pompe,

- une étape de chauffage du fluide de travail au travers du premier échangeur de chaleur,

- une étape de détente d'une première partie du fluide de travail issu du premier échangeur au travers de l'expanseur,

- une étape de refroidissement de la première partie du fluide au travers du deuxième échangeur de chaleur.

Le procédé comprend avantageusement les étapes suivantes au sein de l'injecteur :

- une étape de détente d'une deuxième partie du fluide de travail issue du premier échangeur au travers de l'injecteur,

- une étape de mélange au sein de l'injecteur du fluide de travail issu de la sortie du deuxième échangeur et de ladite deuxième partie du fluide de travail issue du premier échangeur, de manière à fournir en sortie d'injecteur un fluide mélangé présentant une pression supérieure à celle du fluide de travail issu de la sortie du deuxième échangeur.

Optionnellement, le procédé peut présenter l'une quelconque des caractéristiques et étapes facultatives énoncées ci-dessous qui peuvent être prises séparément ou en combinaison :

Le procédé comprend une étape de refroidissement d'un fluide de refroidissement couplé thermiquement au fluide de travail par un troisième échangeur de chaleur, le fluide de travail circulant dans le troisième échangeur de chaleur étant prélevé à la sortie de l'injecteur et réinjecté au niveau de la sortie de l'expanseur.

Le fluide de refroidissement refroidit un alternateur couplé à l'expanseur.

De manière particulièrement avantageuse, l'invention permet de rentabiliser l'utilisation de rejets thermiques à basse température, tout en nécessitant peu de moyens énergétiques. En outre, la présente invention propose un système simplifié, peu coûteux, de faible consommation énergétique, tout en présentant un rendement énergétique amélioré sans toutefois surcharger la pompe, ni augmenter le coût et la complexité du système. BREVE INTRODUCTION DES FIGURES

Les buts, objets, ainsi que les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description détaillée d'un mode de réalisation de cette dernière qui est illustré par les dessins d'accompagnement suivants dans lesquels :

La FIGURE 1 illustre un système réalisé à partir d'un cycle de Rankine selon l'art antérieur.

La FIGURE 2a illustre un exemple de système selon la présente invention, le système comprenant un injecteur dont l'une des deux entrées est fluidiquement connectée à la sortie d'un premier échangeur de chaleur.

La FIGURE 2b illustre un mode de réalisation pour lequel le système comprend un échangeur additionnel.

La FIGURE 2c illustre un autre mode de réalisation pour lequel le premier échangeur comprend deux échangeurs distincts.

La FIGURE 2d illustre un autre mode de réalisation pour lequel les échangeurs distincts possèdent des températures et des débits différents.

La FIGURE 3 illustre un système selon la présente invention comprenant un circuit de refroidissement additionnel. La FIGURE 4 représente une vue en coupe illustrant le principe de refroidissement du stator d'un système de conversion d'énergie tel qu'un alternateur.

La FIGURE 5 est une vue en coupe d'un exemple d'injecteur qui peut être utilisé dans le cadre des différents modes de réalisation de l'invention.

Les dessins sont donnés à titre d'exemples et ne sont pas limitatifs de l'invention. Ils constituent des représentations schématiques de principe destinées à faciliter la compréhension de l'invention et ne sont pas nécessairement à l'échelle des applications pratiques.

DESCRIPTION DETAILLEE

Avant d'entamer une revue détaillée de modes de réalisation de l'invention, sont énoncées ci-après des caractéristiques optionnelles qui peuvent éventuellement être utilisées en association ou alternativement :

- Selon un mode de réalisation, le système comprend un circuit de refroidissement monté en parallèle par rapport à l'injecteur et au deuxième échangeur, le circuit de refroidissement étant fluidiquement raccordé d'une part à la sortie de l'injecteur et d'autre part à la sortie de l'expanseur.

Ainsi, le circuit de refroidissement est alimenté par une partie du fluide de travail qui est prélevée en sortie de l'injecteur. Sa pression est donc augmentée.

Selon un mode de réalisation, le système comprend un dispositif de conversion d'énergie configuré pour convertir un mouvement mécanique produit par l'expanseur en électricité ou en un autre mouvement mécanique. Le circuit de refroidissement comprend un troisième échangeur de chaleur thermiquement couplé avec une troisième source de chaleur échangeant de la chaleur avec le dispositif de conversion d'énergie, le système étant configuré de manière à ce que la pression en sortie du troisième échangeur soit supérieure à la pression à la sortie de l'expanseur.

Selon un mode de réalisation, le dispositif de conversion d'énergie comprend un alternateur configuré pour convertir le mouvement mécanique produit par l'expanseur en électricité et la troisième source de chaleur comprend un circuit couplé thermiquement avec l'alternateur.

Ainsi, la troisième source de chaleur absorbe les calories produites par l'alternateur. Une partie des calories absorbées par la troisième source de chaleur est ensuite absorbée par le fluide de travail circulant dans le troisième échangeur. Selon un mode de réalisation, l'alternateur comprend un stator et la troisième source de chaleur comprend un circuit fluidique au contact du stator et enfermant un fluide caloporteur.

Selon un mode de réalisation, le premier échangeur de chaleur comprend au moins un échangeur primaire et un échangeur secondaire. L'entrée de l'échangeur primaire (correspondant à l'entrée du premier échangeur) est de préférence raccordée fluidiquement à la sortie de la pompe. La sortie de l'échangeur primaire est de préférence raccordée fluidiquement à l'entrée de l'échangeur secondaire. La sortie de l'échangeur secondaire (correspondant à la sortie du premier échangeur) est fluidiquement raccordée à l'entrée de l'expanseur.

Selon un mode de réalisation, l'échangeur primaire et l'échangeur secondaire sont configurés pour être chacun couplés thermiquement à une même source de chaleur.

Selon un mode de réalisation, l'échangeur primaire est configuré pour être couplé thermiquement à une source de chaleur primaire et l'échangeur secondaire est configuré pour être couplé thermiquement à une source de chaleur secondaire distincte de la source de chaleur primaire.

Selon un mode de réalisation, le premier échangeur est configuré pour amener à sa sortie le fluide de travail à une température inférieure à 200°C et de préférence inférieure à 150°C.

Selon un mode de réalisation, le circuit est configuré de manière à ce que la température du fluide de travail en sortie du premier échangeur soit comprise entre la température ambiante et 200°C et de préférence entre la température ambiante et 150°C.

- Selon un mode de réalisation, le système comprend la source chaude. La source chaude et le premier échangeur sont configurés pour fournir à la sortie du premier échangeur une température pour le fluide de travail inférieure à 200°C et de préférence inférieure à 150°C.

Selon un mode de réalisation, le deuxième échangeur est configuré pour amener à sa sortie le fluide de travail à une température comprise entre la température ambiante et 150°C, la température du fluide de travail en sortie du deuxième échangeur étant inférieure à la température du fluide de travail en sortie du premier échangeur.

Selon un mode de réalisation, le système est configuré de manière à ce que la pression et la température du fluide de travail en sortie du premier échangeur soient supérieures aux pression et température critiques du fluide de travail. Selon un mode de réalisation, le fluide de travail est frigorigène et choisi parmi le R410a, le R134a, le R227ea, ou le R245fa. Ces fluides permettent d'atteindre un régime supercritique avec des sources chaudes aux températures inférieures à 200°C. Ils sont donc particulièrement avantageux pour produire de l'énergie à partir de rejets thermiques d'usines ou de moteurs thermiques.

Selon un mode de réalisation, le système est configuré de manière à ce que la première entrée de l'injecteur reçoive le fluide de travail au moins partiellement à l'état liquide et de préférence à l'état liquide uniquement et de manière à ce que la deuxième entrée de l'injecteur reçoive le fluide de travail au moins partiellement à l'état gazeux et de préférence à l'état gazeux uniquement.

Selon un mode de réalisation, le système comprend la première source de chaleur, la première source de chaleur étant couplée thermiquement avec un circuit de rejet thermique d'une usine ou d'un moteur.

Selon un mode de réalisation, le premier échangeur de chaleur est configuré de sorte à chauffer le fluide de travail ; l'expanseur est configuré de sorte à augmenter la pression du fluide de travail et le deuxième échangeur de chaleur est configuré de sorte à refroidir le fluide de travail. L'injecteur est configuré de sorte à augmenter la pression du fluide de travail. La pompe est configurée de sorte à augmenter la pression du fluide de travail.

- Selon un mode de réalisation, le système comprend un échangeur additionnel configuré pour transférer de la chaleur depuis le fluide de travail en sortie d'expanseur au fluide de travail situé entre la sortie de la pompe et l'entrée du premier échanger. Ainsi, l'échangeur additionnel fait office d'économiseur. Il permet d'utiliser une partie de l'énergie restante dans le fluide de travail en sortie d'expanseur pour préchauffer le liquide à la sortie de la pompe. Cela permet d'augmenter le rendement de l'installation.

Selon un mode de réalisation, le premier échangeur de chaleur comprend au moins deux échangeurs de chaleur couplés chacun à une source de chaleur présentant une température différente, l'un étant configuré pour amener le fluide de travail dans un état sous-critique (liquide) et l'autre, disposé en aval, étant configuré pour amener le fluide de travail dans un état supercritique.

Un intérêt est de permettre une meilleure adéquation entre le fluide de travail et le premier échangeur et ainsi d'augmenter l'efficacité de l'échangeur, en réduisant le pincement en température entre la source de chaleur et le fluide de travail. On entend par pincement (en anglais « pinch »), la différence de température minimale entre le fluide de travail et la source chaude. Un deuxième intérêt est ensuite de pouvoir éventuellement utiliser deux ou plus sources chaudes différentes qui auraient des températures différentes et des débits différents.

Selon un mode de réalisation, le système est configuré de manière à ce que le fluide présente un écart (Δ) entre la température de la source de chaleur et la température critique du fluide de travail ; ledit écart (Δ) étant compris entre 20°C et 70°C. Cette gamme permet d'avoir un rendement particulièrement élevé.

Selon un mode de réalisation, le système comprend un dispositif de conversion d'énergie configuré pour convertir un mouvement mécanique produit par l'expanseur en une énergie électrique ou mécanique et configuré de manière à ce que la puissance fournie par le dispositif de conversion d'énergie soit inférieure à 100 kW.

Selon un mode de réalisation, l'expanseur est une turbine, de préférence cinétique.

Selon un mode de réalisation, l'expanseur est une machine volumétrique.

Selon un mode de réalisation, l'expanseur est une machine volumétrique, du type suivant : un compresseur volumétrique fonctionnant en expanseur.

Selon un mode de réalisation, l'expanseur est une machine hermétique ; ladite machine comprenant l'expanseur, un arbre et l'alternateur; l'expanseur étant raccordé à l'arbre et l'arbre étant raccordé à l'alternateur. La figure 2a illustre un exemple de système selon la présente invention. Ce système est particulièrement avantageux pour une production électrique de petite puissance (par exemple de quelques kilowatts à une centaine de kilowatts). Il est configuré de manière à mettre en œuvre un cycle thermodynamique de Rankine. Il comprend des composants couramment utilisés :

- un fluide de travail. Ce fluide de travail est avantageusement frigorigène. Le fluide de travail est de préférence organique ce qui permet d'atteindre un régime supercritique (également désigné supercritique) tout en conservant des niveaux de pression et de température relativement limités. Le fluide de travail est de préférence choisi parmi le R410a, le R134a, le R227a, le R245fa. On entend par fluide supercritique, un fluide ayant atteint un régime supercritique.

- un premier échangeur 1 10. Ce premier échangeur 1 10 est thermiquement couplé à une source chaude 170, par exemple chauffée par les rejets thermiques. De préférence il permet au fluide d'atteindre un régime supercritique. Le premier échangeur peut ainsi être qualifié d'échangeur supercritique. Il permet au fluide de travail de dépasser la température critique. La température critique du fluide de travail est, par exemple de l'ordre de 70°C, pour un fluide de travail de type gaz réfrigérant R410a. Le R410a est l'un des fluides frigorigènes les plus fréquemment utilisés pour faire fonctionner une pompe à chaleur. Le R410a présente l'avantage de ne pas être nocif pour la couche d'ozone, tout en présentant un bon rendement énergétique. Il a notamment une capacité de compression et une puissance frigorifique plus élevées que beaucoup d'autres fluides frigorigènes. Il augmente donc non seulement les possibilités de chauffage (même à basse température) mais également de refroidissement. La température critique est, par exemple, de l'ordre de : 101 °C pour le fluide R134a, 103°C pour le fluide R227a et 154°C pour le fluide R245fa.

- un compresseur volumétrique fonctionnant en expanseur (volumétrique) 120. Cet expanseur 120 permet de détendre le fluide et de produire une énergie mécanique à partir de cette détente. Dans un mode de réalisation, cette énergie est récupérée sur un arbre 190 tournant.. Cette énergie mécanique peut ensuite être récupérée sous forme électrique au niveau d'un l'alternateur situé sur ledit arbre 190 tournant. L'expanseur 120 est avantageusement dérivé d'un compresseur volumétrique conventionnel de l'industrie frigorifique.

- un deuxième échangeur de chaleur 130 thermiquement couplé à une source plus froide que la source chaude 170 et permettant de refroidir le fluide de travail. Lors de ce refroidissement, la température de saturation est atteinte. Le refroidissement s'accompagne dès lors du phénomène de condensation.

- un injecteur 140 permettant de définir un niveau intermédiaire de pression.

L'injecteur comprend : au moins deux entrées, l'une pour un premier fluide et l'autre pour un deuxième fluide, le plus souvent gazeux, présentant une énergie plus élevée que le premier fluide; au moins une chambre de mélange des deux fluides disposée en aval des deux entrées; au moins un col puis une portion divergente faisant office de diffuseur, disposée en aval de la chambre de mélange et configurée pour permettre la diffusion du fluide mélangé en sortie de chambre de mélange. L'injecteur 140 permet ainsi d'augmenter la pression du premier fluide et de fournir un fluide à une pression intermédiaire, c'est-à-dire à une pression comprise entre celles des premier et deuxième fluides.

Le fonctionnement de l'injecteur 140 réside sur un principe simple et passif : le deuxième fluide (gazeux et provenant de la sortie 1 10b du premier échangeur 1 10) à haute énergie entraîne un fluide à basse énergie (liquide et provenant de la sortie 130b du deuxième échangeur 130) et permet de relever la pression de ce dernier sans nécessiter d'organe moteur tel qu'une pompe.

La pression intermédiaire délivrée par l'injecteur 140 est par exemple de l'ordre de quelques bars au-dessus du niveau de la basse pression ; ladite basse pression se situant autour de la dizaine de bars. L'injecteur 140 permet en outre d'apporter de la pression présentant ledit niveau intermédiaire de pression, à l'entrée 150a de la pompe 150. La pompe est ainsi soulagée ce qui apporte de nombreux avantages comme cela sera détaillé par la suite. De préférence le fluide en sortie du premier échangeur 1 10 est sous forme gazeux et l'entrée 140c de l'injecteur 140 reçoit du fluide sous forme gazeuse uniquement.

- une pompe 150. De préférence elle permet au fluide de travail de détendre le fluide et de dépasser ainsi la pression critique. La puissance de la pompe 150 peut être réduite grâce à l'utilisation de l'injecteur 140. Elle se trouve ainsi dans des gammes de conception standard, moins contraignante. En réduisant la hauteur motrice totale nécessaire à la pompe 150 de 400 mètres à 350 mètres environ, la pompe 150 est moins complexe et coûteuse. De plus, puisque la pression d'entrée est plus élevée, les risques de cavitation sont réduits, ce qui est moins contraignant pour la conception de la pompe 150.

Avantageusement, dans le circuit selon la présente invention, l'injecteur 140 est positionné de sorte à permettre une simplification de réalisation tout en optimisant le rendement énergétique. Pour ce faire, la sortie 140b de l'injecteur 140 est connectée à l'entrée de la pompe 150. Cela permet d'augmenter la pression du fluide de travail avant l'entrée dans la pompe 150 afin de réduire l'apport énergétique que nécessite ladite pompe 150. De manière particulièrement avantageuse, la deuxième entrée 140c de l'injecteur 140 est raccordée à la sortie 1 10b du premier échangeur 1 10. La prise de raccordement au niveau de la sortie 1 10b du premier échangeur 1 10 permet ainsi d'introduire dans l'injecteur du fluide présentant une grande énergie, notamment une pression élevée. Par ailleurs, cette configuration permet de simplifier la réalisation du circuit.

Selon un mode de réalisation particulier, la température de la source chaude 170 est inférieure à 200°C et de préférence inférieure à 150°C et la température de la source froide 180 est inférieure à 50°C et de préférence de l'ordre de 30°C. De préférence, la température de la source froide 180 est supérieure à la température ambiante et plus généralement de l'ordre de la température ambiante.

Pour le premier échangeur 1 10, c'est-à-dire l'échangeur chaud, la température maximale est celle de la sortie de l'expanseur 120, c'est-à-dire un peu moins de 150°C. La température minimale est celle de la sortie de la pompe 150, c'est-à-dire un peu plus haut que la température ambiante.

Pour le deuxième échangeur 130, c'est-à-dire l'échangeur froid, la température maximale est celle de la sortie de la turbine ou autre expanseur (120), c'est-à-dire intermédiaire, comprise entre les températures des sources chaude (150°C) et froide (30°C). La température minimale du deuxième échangeur 130 est celle de la température de la source froide 180, c'est-à-dire, en général la température ambiante. Le principe à la base de l'invention procure de nombreux avantages.

Notamment, la présente invention permet de diminuer la puissance consommée par la pompe 150. En effet, dans certains cycles organiques de Rankine, la puissance consommée par la pompe 150 est suffisamment importante pour chercher à la réduire drastiquement et donc augmenter le rendement. Dans l'invention, l'injecteur 140 est également utilisé pour réduire la hauteur motrice à assurer par la pompe 150.

Un autre intérêt de la présente invention est aussi d'avoir un coût d'investissement plus faible pour la pompe 150 qui représente généralement une part significative du coût global de l'installation. Ce coût est directement lié à la puissance de ladite pompe 150. Il n'est en général pas rigoureusement proportionnel à la puissance, mais reste croissant avec celle-ci.

Un intérêt supplémentaire de l'invention est aussi de diminuer le risque de cavitation dans la pompe. La pression d'entrée dans la pompe 150 est plus élevée dans le cas de l'invention 150. En effet, la marge à la cavitation pour une installation donnée s'exprime par l'écart entre la pression d'entrée moins la pression de vapeur saturante et une valeur caractéristique de la pompe 150 (NPSH : net positive suction head). Dans le cas de l'invention, la pression d'entrée sera plus élevée et la pression de vapeur saturante ne sera que marginalement affectée. En effet, l'intégration de la relation de Clapeyron permet d'aboutir à l'estimation d'un ordre de grandeur de l'augmentation de la pression de vapeur saturante due à un écart de température :

AP/P~L/((C _p,vap -C _v,vap )T)AT/T Cet écart ΔΡ/Ρ est de l'ordre de quelques ΔΤ/Τ, alors qu'il a été constaté que l'injecteur 140 connecté comme le prévoit l'invention peut faire gagner jusqu'à 50% en pression d'entrée. Selon un mode de réalisation particulier illustré en figure 2b, le système comprend un échangeur additionnel 230. L'échangeur additionnel 230 comprend une première entrée 231 a fluidiquement raccordée à la sortie 120b de l'expanseur 120 et une première sortie 231 b fluidiquement raccordée à l'entrée 130a du deuxième échangeur de chaleur 130. L'échangeur additionnel 230 comprend une deuxième entrée 232a fluidiquement raccordée à la sortie 150b de la pompe 150 et une deuxième sortie 232b fluidiquement raccordée à l'entrée 1 10a du premier échangeur de chaleur 1 10.

Cet échangeur additionnel 230 permet d'utiliser une partie de l'énergie restante dans le fluide après le passage dans l'expanseur 120 pour préchauffer le liquide à la sortie de la pompe 150. Cet échangeur additionnel 230 fait ainsi office d'économiseur. L'intérêt est un gain sur le rendement de l'installation. Il s'agit d'un échangeur interne au cycle : le fluide de travail échange avec lui-même.

Selon un autre mode de réalisation illustré en figure 2c, le premier échangeur 1 10, de préférence de type échangeur chaud, peut être réalisé en au moins deux parties distinctes, en utilisant par exemple deux échangeurs 1 10', 1 10". Les échangeurs 1 10', 1 10", désignés échangeur primaire 1 10' et échangeur secondaire 1 10", sont de préférence raccordés en série. L'entrée 1 10'a de l'échangeur primaire 1 10' (correspondant à l'entrée 1 10a du premier échangeur 1 10) est de préférence raccordée fluidiquement à la sortie 150b de la pompe 150. La sortie 1 10'b de l'échangeur primaire 1 10' est de préférence raccordée fluidiquement à l'entrée 1 10"a de l'échangeur secondaire 1 10". La sortie 1 10"b de l'échangeur secondaire 1 10" (correspondant à la sortie 1 10b du premier échangeur 1 10) est fluidiquement raccordée à l'entrée 120a de l'expanseur 120. Les échangeurs primaire 1 10' et secondaire 1 10" formant le premier échangeur 1 10 sont couplés thermiquement chacun à une même source de chaleur 170.

Typiquement, un des échangeurs 1 10' est utilisé pour réchauffer le fluide dans des conditions sous-critiques, tandis que l'autre 1 10" sert à faire le complément. Le premier intérêt est de permettre une meilleure adéquation entre le fluide de travail et le premier échangeur 1 10 et ainsi d'augmenter l'efficacité de l'échangeur, en réduisant le pincement en température entre la source de chaleur 170 et le fluide de travail. Le second intérêt est ensuite de pouvoir éventuellement utiliser deux échangeurs différents 1 10', 1 10", comme illustré en figure 2d, qui auraient des températures différentes grâce à des sources de chaleur 170, 270 différentes et des débits différents. Dans ce mode de réalisation particulier (figure 2d), l'entrée 1 10'a de l'échangeur primaire 1 10' (correspondant à l'entrée 1 10a du premier échangeur 1 10) est de préférence raccordée fluidiquement à la sortie 150b de la pompe 150. La sortie 1 10'b de l'échangeur primaire 1 10' est de préférence raccordée fluidiquement à l'entrée 1 10"a de l'échangeur secondaire 1 10". La sortie 1 10"b de l'échangeur secondaire 1 10" (correspondant à la sortie 1 10b du premier échangeur 1 10) est fluidiquement raccordée à l'entrée 120a de l'expanseur 120. Afin de varier les températures, les échangeurs primaire 1 10' et secondaire 1 10" formant le premier échangeur 1 10 ne sont couplés pas thermiquement à la même source de chaleur 170. Avantageusement, l'échangeur primaire 1 10' est couplé thermiquement à une source de chaleur primaire 270 et l'échangeur secondaire 1 10" est couplé thermiquement à une source de chaleur secondaire 170.

Avantageusement, la température de la source chaude étant donnée, le fluide de travail sera choisi de façon optimale afin de correspondre au mieux aux caractéristiques du premier échangeur 1 10 et en particulier à la température du fluide chaud de ce premier échangeur 1 10. On fera notamment en sorte que la température critique de fluide de travail choisi soit légèrement inférieure à la température du fluide chaud de ce premier échangeur 1 10. L'idée sous-jacente est qu'il faut légèrement dépasser la température critique pour que le rendement de l'installation soit optimisé. Typiquement, le fluide présente un écart (Δ) entre la température de la source de chaleur 170 du premier échangeur 1 10 et la température critique du fluide de travail ; ledit écart (Δ) étant compris entre 20°C et 70°C. Cette gamme permet d'avoir un rendement particulièrement élevé.

Selon une alternative, le fractionnement de l'expanseur 120 en deux parties, par exemple en utilisant deux expanseurs en série peut être intéressant afin d'utiliser pour l'injecteur 140 cette pression intermédiaire en pression haute et, de ce fait, faire travailler dans l'expanseur l'intégralité du fluide de travail. Cela conduit à un rendement plus élevé. La figure 3 illustre un mode de réalisation particulier dans lequel le système comprend un expanseur hermétique 300 composé de l'expanseur 120, de l'arbre 190 et de l'alternateur 200 ainsi qu'un circuit de refroidissement de l'ensemble hermétique. Le circuit de refroidissement est raccordé d'une part à la sortie 140b de l'injecteur 140 et d'autre part à la sortie 120b de l'expanseur 120. Il comprend un troisième échangeur de chaleur 160 dont l'entrée 160a est connectée à la sortie 140b de l'injecteur 140 et dont la sortie 160b est connectée à la sortie 120b de l'expanseur 120.

Le système est configuré de manière à ce que la pression en sortie 160b du troisième échangeur 160 soit supérieure à la pression en sortie de l'expanseur 120, garantissant ainsi que le fluide parcourt bien le troisième échangeur 160 depuis sa sortie 160a vers son entrée 160b.

Grâce à l'injecteur 140, on dispose ainsi d'un fluide froid présentant une pression rehaussée sans pour autant introduire une pompe additionnelle. Une partie de ce fluide froid est ainsi récupérée en sortie 140b de l'injecteur 140 et peut être utilisé afin de refroidir un organe auxiliaire comme par exemple un moteur ou un dispositif de conversion d'énergie couplé à l'expanseur 120. Typiquement, le système est équipé d'un alternateur 200 faisant office de dispositif de conversion d'énergie pour transformer en électricité le mouvement mécanique de l'expanseur 120 le plus souvent sous forme d'un expanseur volumétrique. Le troisième échangeur de chaleur 160 est configuré de sorte à refroidir l'expanseur hermétique 300 jusqu'à un niveau de température acceptable. Par exemple ce dernier est traversé par un fluide caloporteur qui permet de maintenir la température de l'expanseur hermétique à un niveau acceptable.

Or, le rendement d'un dispositif de conversion d'énergie, et notamment d'un alternateur, diminue lorsque sa température augmente.

En proposant une solution permettant de réduire la température du dispositif de conversion d'énergie sans pour autant introduire une pompe additionnelle ou une importante complexité et sans augmenter les risques de cavitation, l'invention apporte ainsi une solution efficace pour augmenter le rendement global du système sans diminuer sa fiabilité et sa stabilité.

Comme illustré sur la vue en coupe de la figure 4, le circuit de refroidissement permet de manière particulièrement avantageuse de refroidir par exemple un alternateur 200 ou un moteur fonctionnant en mode inverse (dans le cas d'un compresseur fonctionnant en expanseur) comprenant un stator 210. Dans ce mode de réalisation, le troisième échangeur de chaleur 160 permet de refroidir, grâce au fluide de travail prélevé à la sortie 140b de l'injecteur 140, un fluide mis en circulation autour du stator 210.

Un des intérêts de l'invention est ainsi de disposer d'un niveau de pression intermédiaire pour les organes auxiliaires tels qu'un alternateur ou un moteur. En effet, si on ne disposait que du seul niveau haut pour alimenter un circuit de refroidissement, on consommerait du travail réalisé dans la pompe 150. Grâce à l'injecteur 140, on dispose de fluide froid sans impacter significativement la pompe 150. Selon un mode de réalisation avantageux mais non limitatif de l'invention, la puissance du premier échangeur 1 10 est de 150kW ; le fluide de travail est, de préférence, du R134a (un des principaux constituants de ce fluide est par exemple le 1 ,1 ,1 ,2-Tetrafluoroethane) ; la pression maximale est de 50 bars ; la température maximale est de 130°C ; la pression minimale est de 10.17 bars ; la température minimale est de 30°C ; la puissance brute de 16.9 kW ; la puissance à évacuer par le système de refroidissement de 2kW ; la température de refroidissement 76.3°C ; le rapport de débit d'entraînement est de 20. Ce rapport correspond au rapport entre le débit de vapeur et le débit liquide. Il se mesure, par exemple, à l'aide de deux débitmètres.

Par ailleurs, le rendement de l'injecteur 140 est de 34.73%. Il s'agit du rendement exergétique, autrement dit le rapport entre l'exergie en sortie de l'injecteur 140 et les exergies en amont de celui-ci. Ce rapport peut être évalué à partir d'un bilan thermique de l'installation. On rappellera que l'exergie en thermodynamique est définit comme étant une grandeur permettant de mesurer la qualité d'une énergie.

Dans ce mode de réalisation, l'injecteur 140 comprend :

- au moins deux entrées 141 , 142 formant chacune une tuyère, l'une pour un premier fluide et l'autre pour un deuxième fluide présentant une pression plus élevée que le premier fluide ;

- au moins une chambre de mélange 143 dont la section est de préférence convergente ;

- au moins un col 144 et un divergent également désigné diffuseur 145, disposés successivement en aval de la chambre de mélange 144.

Pour bien mélanger les deux fluides provenant d'une part 142 de la sortie 130b du deuxième échangeur 130 (fluide sous forme liquide) et d'autre part 141 de la sortie 1 10b du premier échangeur 1 10 (fluide sous forme vapeur), il est nécessaire de les accélérer. Les deux tuyères d'entrée et les profils convergents sont configurés à cet effet. Le diffuseur 145 est quant à lui dimensionné de manière à convertir l'énergie cinétique en pression. Les valeurs numériques concernant l'injecteur 140 sont données dans le Tableau 1 .

Tableau 1 : Valeurs numériques caractérisant l'injecteur 140

Les performances suivantes sont ainsi obtenues pour l'injecteur 140 :

- pression de vapeur : 50 bar.

- pression de liquide : 10.17 bar.

- pression de sortie : 14 bar.

- rapport de débit d'entraînement : 20. Ce rapport correspond au rapport entre le débit de vapeur et le débit liquide. Il se mesure, par exemple, à l'aide de deux débitmètres.

- rendement d'injecteur : 34.73%. Ce rendement correspond au rendement exergétique, c'est-à-dire au rapport entre l'exergie en sortie d'injecteur et les exergies en amont de celui-ci. Il peut être évalué à partir d'un bilan thermique de l'installation.

Le premier échangeur de chaleur 1 10, c'est-à-dire l'échangeur chaud permet au fluide de travail d'absorber les calories d'un fluide de rejet thermique. Pour cet échangeur de chaleur 1 10, le fluide chaud est donc le fluide de rejet thermique et le fluide froid est le fluide de travail.

Des valeurs numériques concernant le premier échangeur 1 10 sont indiquées dans le Tableau 2, à titre d'exemple non limitatif de l'invention. Fluide chaud Fluide froid

Nature du fluide de travail Fluide de rejet R134a

Débit (kg/s) 1 .25 0.7228

Température haute (°C) 150 130

Température basse (°C) 90 40

Puissance échangée (W) 150000

Produit hS (W/K) entre le

coefficient d'échange et la 6184

surface d'échange de

l'échangeur (ou conductance

thermique de l'échangeur)

Tableau 2 : Valeurs numériques caractérisant l'échangeur chaud 110

Le deuxième échangeur de chaleur 130, c'est-à-dire l'échangeur froid, permet au fluide de travail d'évacuer ses calories. Pour cet échangeur de chaleur 130, le fluide chaud est donc le fluide de travail. Le fluide froid peut être de l'eau.

Des valeurs numériques concernant le deuxième échangeur de chaleur 130 sont indiquées dans le Tableau 3, à titre d'exemple non limitatif de l'invention.

Tableau 3 : Valeurs numériques caractérisant l'échangeur froid 130 L'expanseur 120 est préférentiellement de type expanseur volumétrique. L'expanseur 120 est de préférence un compresseur hermétique à spirale. Des valeurs numériques concernant l'expanseur 120 sont indiquées dans le Tableau 4, à titre d'exemple non limitatif de l'invention. L'expanseur 120 est associé à un dispositif de conversion d'énergie tel qu'un alternateur 200.

Tableau 4 : Valeurs numériques caractérisant l'expanseur 120

La pompe 150 est, de préférence, une pompe volumétrique. Des valeurs numériques concernant la pompe 150 sont indiquées dans le Tableau 5, à titre d'exemple non limitatif de l'invention.

Tableau 5 : Valeurs numériques caractérisant la pompe 150 Un comparatif des résultats obtenus d'une part avec un cycle de Rankine organique standard sans injecteur et d'autre part avec un système selon l'invention va maintenant être présenté. Un cycle de Rankine organique standard sans injecteur présente les caractéristiques suivantes :

puissance de la source chaude : 150kW.

- fluide : R134a.

pression maximale : 50 bar.

- température maximale : 130°C.

pression minimale : 10.17 bars,

température minimale : 130°C.

puissance brute : 16.9 kW.

puissance à évacuer par le système de refroidissement : 2 kW. - température de refroidissement : 76.3°C.

Une comparaison entre les performances de la présente invention et d'un cycle de Rankine organique standard sans injecteur 140 est dressée dans le Tableau 6.

Comparaison des caractéristiques de circuits avec un injecteur 140 (présente invention) et sans injecteur (cas standard)

Grâce à l'utilisation et notamment au positionnement de l'injecteur 140 dans le circuit, la présente invention présente de meilleures performances que les solutions connues tout en présentant une grande fiabilité et une complexité qui reste limitée. Parmi les applications de l'invention, on pourra citer l'utilisation de tels procédés de génération d'énergie électrique dans l'industrie de transformation (métallurgie, chimie, papeterie) avec des rejets thermiques à basse température, le transport avec moteur thermique (automobile, bateau), le solaire à concentration, ou encore la biomasse.

Tous les modes de réalisation couverts par les revendications ou décrits ci- dessus peuvent, de manière optionnelle et non limitative, présenter au moins l'une quelconque des caractéristiques facultatives suivantes :

- La sortie de la pompe est directement raccordée à l'entrée du premier échangeur.

- La sortie du premier échangeur est directement raccordée à l'entrée de l'expanseur.

- La sortie de l'expanseur est directement raccordée à l'entrée du deuxième échangeur.

- La sortie du deuxième échangeur est directement raccordée à la première entrée de l'injecteur.

- La sortie du premier échangeur est directement raccordée à la deuxième entrée de l'injecteur.

- La sortie de l'injecteur est directement raccordée à l'entrée de la pompe.

Dans la présente demande de brevet « A directement raccordée à B» signifie que le raccordement est direct et qu'il n'y a pas d'autre organe intermédiaire (pompe, échangeur, vanne, injecteur, expanseur etc.) entre A et B. Au vu de la description qui précède, il ressort clairement que l'invention permet de réduire significativement le coût des systèmes basés sur un cycle de Rankine, de les rendre plus fiables et robustes, tout en conservant un rendement équivalent voire amélioré.