RECUPERATION D'ENERGIE

La présente invention a pour objet un échangeur de chaleur, notamment pour véhicule, et plus particulièrement un échangeur de chaleur permettant un échange de chaleur entre un fluide de travail et un second fluide, tel que des gaz d'échappement. Elle concerne également une installation et un procédé de récupération d'énergie mettant en œuvre un tel échangeur de chaleur. Les contraintes environnementales impulsées par les nouvelles normes européennes incitent les constructeurs automobiles à réduire les émissions de C0 ₂ de leurs véhicules. Une solution envisageable est la récupération d'énergie perdue. En particulier, il est possible de récupérer l'énergie perdue à l'échappement via un cycle thermodynamique de Rankine. En effet, la chaleur des gaz d'échappement peut être utilisée pour chauffer puis vaporiser un fluide de travail sous forme de vapeur haute pression qui va être est détendu dans une turbine et transformé en énergie, notamment électrique. Le fluide est ensuite condensé pour retrouver sa forme liquide et recommencer le cycle. Dans de tel système, l'évaporation du fluide de travail par le gaz d'échappement s'effectue par l'intermédiaire d'un échangeur de chaleur soumis à la dynamique très élevée de la variation du débit et de la température du gaz d'échappement.

Dans le cas où le fluide de travail est l'éthanol, le problème de la dégradation de celui-ci se pose. En effet, l'une des caractéristiques de l'éthanol est de se dégrader à partir d'une température d'environ 250 'Ό. Le cycle de Rankine doit donc être contrôlé de manière à ce que la température du fluide de travail à la sortie de l'échangeur de chaleur ne soit pas supérieure à 250 'Ό. Classiquement, l'échangeur utilisé dans de tel système est un échangeur dans lequel le fluide de travail circule à contre-courant par rapport aux gaz d'échappement. Ce type d'échangeurs est connu pour sa bonne performance thermique. En revanche, la durée nécessaire au réfrigérant pour atteindre la température maximale, autrement dit l'acquisition de la température du fluide de travail en sortie, est très courte (par exemple elle est de 5 secondes pour atteindre 250 'Ό lors du passage de 100 à 120 km/h dans le cas de l'éthanol comme fluide de travail). A contrario, les échangeurs dans lesquels le fluide de travail circule à co-courant par rapport aux gaz d'échappement ont une durée nécessaire pour que le réfrigérant atteigne la température maximale plus élevée (par exemple elle est de 14,7 secondes pour atteindre 250 'Ό lors du passage de 100 à 120 km/h dans le cas de l'éthanol comme fluide de travail) mais leur performance thermique est faible. II existe donc un besoin d'un échangeur de chaleur remédiant aux inconvénients précédents.

L'invention vise, à cet effet, un échangeur de chaleur comprenant un faisceau permettant un échange de chaleur entre un premier fluide, dit fluide de travail, et un second fluide, ledit faisceau étant configuré pour que :

- ledit fluide de travail circule en au moins une passe amont et en une passe terminale dans laquelle ledit fluide de travail est en phase vapeur sur au moins une partie,

- ledit fluide de travail circule dans au moins une desdites passes amont à contre- courant par rapport audit second fluide,

- ledit fluide de travail circule dans ladite passe terminale à co-courant par rapport audit second fluide.

Grâce à la passe terminale qui travaille en co-courant, un tel échangeur permet d'augmenter la constante de temps du système afin d'assurer un temps suffisant pour l'acquisition de la température du fluide de travail à la sortie de l'échangeur, ou en d'autres termes pour que le fluide de travail puisse atteindre la température maximale. L'échangeur de chaleur conserve cependant une bonne performance thermique en faisant travailler tout ou parties des passes précédentes en contre-courant. L'augmentation de la température du fluide de travail est plus lente ce qui limite les risques d'endommager le fluide de travail par de trop hautes températures. Une telle configuration d'échangeur permet d'avoir en sortie une température minimale des gaz d'échappement inférieure à la température d'évaporation. Il n'est ainsi pas nécessaire d'utiliser un fluide de travail résistant aux hautes températures.

Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément :

- ladite passe terminale succède à une première passe de sorte que ledit fluide de travail circule en deux passes dans l'échangeur,

- la surface d'échange de la passe terminale représente au plus 50% de la surface d'échange totale desdites première passe et passe terminale,

- ladite surface d'échange de la passe terminale représente entre 40 et 10% de la surface d'échange totale desdites première passe et passe terminale,

- ladite surface d'échange de la passe terminale représente entre 30 et 20% de la surface d'échange totale desdites première passe et passe terminale, - ladite surface d'échange de la première passe représente au moins 50% de la surface d'échange totale desdites première passe et passe terminale,

- ladite surface d'échange de la première passe représente entre 60 et 90% de la surface d'échange totale desdites première passe et passe terminale,

- ladite surface d'échange de la première passe représente entre 70 et 80% de la surface d'échange totale desdites première passe et passe terminale,

- ledit échangeur est configuré pour que ledit fluide de travail soit un liquide réfrigérant,

- ledit échangeur est configuré pour que ledit fluide de travail soit de l'éthanol,

- ledit échangeur est configuré pour que ledit second fluide soit des gaz d'échappement d'un moteur de véhicule,

- ledit échangeur est configuré pour que ledit changement de phase soit localisé en fin de première passe et/ou en début de passe terminale,

- ledit échangeur présente une configuration allongée,

- chacune desdites passes présente une configuration allongée,

- chacune desdites passes sont disposées en parallèle l'une à l'autre.

L'invention concerne aussi une installation de récupération d'énergie à partir de la chaleur des gaz d'échappement comprenant une boucle de circulation d'un fluide de travail, ladite boucle comprenant un échangeur de chaleur selon l'une quelconque des revendications précédentes pour échanger de la chaleur avec lesdits gaz d'échappement. Ladite boucle pourra en particulier être configurée pour mettre en œuvre un cycle de Rankine.

Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément :

- ladite boucle comprend en outre une pompe,

- ladite boucle comprend en outre un détendeur,

- ladite boucle comprend en outre un condenseur, plus précisément un condenseur avec subcooler et accumulateur.

L'invention concerne encore un procédé de récupération d'énergie à partir de la chaleur des gaz d'échappement mettant en œuvre une boucle de circulation d'un fluide de travail, ladite boucle comprenant un échangeur de chaleur entre ledit fluide de travail et lesdits gaz d'échappement, ledit procédé comprenant une étape de séparation desdits gaz d'échappement, en un premier flux et en un second flux, en aval dudit échangeur de manière à ce que le fluide de travail circule à contre-courant par rapport au premier flux dans au moins une passe amont et circule à co-courant par rapport audit second flux dans une passe terminale dans laquelle ledit fluide de travail est en phase vapeur sur au moins une partie.

Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément :

- ladite passe terminale succède à une première passe de sorte que ledit fluide de travail circule en deux passes dans l'échangeur,

- la surface d'échange de la passe terminale représente au plus 50% de la surface d'échange totale desdites première passe et passe terminale.

- ladite surface d'échange de la passe terminale représente entre 40 et 10% de la surface d'échange totale desdites première passe et passe terminale,

- ladite surface d'échange de la passe terminale représente entre 30 et 20% de la surface d'échange totale desdites première passe et passe terminale,

- ladite surface d'échange de la première passe représente au moins 50% de la surface d'échange totale desdites première passe et passe terminale,

- ladite surface d'échange de la première passe représente entre 60 et 90% de la surface d'échange totale desdites première passe et passe terminale,

- ladite surface d'échange de la première passe représente entre 70 et 80% de la surface d'échange totale desdites première passe et passe terminale,

- ledit fluide de travail est un liquide réfrigérant,

- ledit fluide de travail est de l'éthanol,

- ledit changement de phase est localisé en fin de première passe et/ou en début de passe terminale,

- ledit échangeur présente une configuration allongée,

- chacune desdites passes présente une configuration allongée,

- chacune desdites passes sont disposées en parallèle l'une à l'autre,

- ladite boucle comprend en outre une pompe,

- ladite boucle comprend en outre un détendeur,

- ladite boucle comprend en outre un condenseur,

- ladite boucle met en œuvre un cycle de Rankine.

L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, d'au moins un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, en référence aux dessins schématique annexés. Sur ces dessins :

- la figure 1 est une vue schématique d'une boucle de circulation d'un fluide de travail selon le cycle de Rankine comprenant un échangeur de chaleur selon l'invention,

- la figure 2 est une vue schématique de l'échangeur de chaleur de la figure 1 , - la figure 3 représente schématiquement le changement d'état d'un fluide de travail dans l'échangeur de chaleur de la figure 2,

- la figure 4 illustre une comparaison du changement d'état d'un fluide de travail dans un échangeur de chaleur de l'art antérieur et dans un échangeur de chaleur selon la figure 2 pour un véhicule à une vitesse constante de 100 km/h.

Comme illustré dans la figure 1 , l'invention concerne tout d'abord une installation 1 de récupération d'énergie à partir d'une source de chaleur 3. Une telle installation met ici en œuvre un cycle de Rankine et comprend une boucle de circulation d'un fluide de travail 5. De manière classique, une telle boucle comprend un condenseur 7, une pompe 9, un échangeur de chaleur 1 1 et un organe de détente13. Dans un cycle de Rankine, le fluide de travail 5 est entraîné par la pompe 9 et va subir différents changements de phase. Dans un premier temps, le fluide de travail est refroidi à une pression et une température suffisantes par le condenseur 7 pour qu'il soit entièrement liquéfié. Le fluide de travail sous forme de liquide comprimé est ensuite vaporisé dans l'échangeur de chaleur 1 1 par échange thermique avec une source chaude 3. Le fluide de travail 5 sous forme vapeur est enfin détendu au niveau du détendeur 13. Le fluide 5 est alors à nouveau condensé pour reprendre le même cycle. Dans l'exemple illustré à la figure 1 , le cycle comprend également un refroidisseur secondaire 15 placé entre le condenseur 7 et la pompe 9. Il permet de diminuer la température du fluide de travail 5 avant sa compression et sa vaporisation.

Le condenseur 7 et le refroidisseur secondaire 15 sont alimentés en fluide 17 permettant de refroidir le fluide de travail 5. Il peut s'agir d'un même fluide circulant dans les deux éléments, ou de deux fluides différents. Celui-ci circule de préférence d'abord dans le refroidisseur secondaire 15 puis dans le condenseur 7.

Ici, la source de chaleur 3 de l'échangeur de chaleur 1 1 est les gaz d'échappement provenant d'un véhicule et l'organe de détente 13 est une turbine destinée à être entraînée par la détente dudit fluide de travail 5 en phase gazeuse et à produire de l'énergie, notamment électrique. Ce cycle permet ainsi de récupérer de l'énergie à partir des gaz d'échappement 3 et de la transformer en énergie pour produire, par exemple, de l'électricité pour un élément 19 du véhicule.

Comme illustré à la figure 2, l'invention concerne plus particulièrement l'échangeur de chaleur 1 1 de la boucle de circulation du fluide de travail 5 mentionné précédemment. Ledit échangeur 1 1 comprend un faisceau permettant un échange de chaleur entre un premier fluide 5, dit fluide de travail, et un second fluide 3, ledit faisceau étant configuré pour que :

- ledit fluide de travail 5 circule en au moins une passe amont 21 dans laquelle ou lesquelles ledit fluide de travail 5 est en phase liquide sur une première partie 21 a et dans un état bi-phasique liquide/vapeur sur une seconde partie 21 b et en une passe terminale 23 dans laquelle ledit fluide de travail 5 est dans un état bi-phasique liquide/vapeur sur une première partie 23a et en phase vapeur sur une seconde partie 23b,

- ledit fluide de travail 5 circule dans au moins une desdites passes amont 21 à contre- courant par rapport audit second fluide 3,

- ledit fluide de travail 5 circule dans ladite passe terminale 23 à co-courant par rapport audit second fluide 3.

L'échangeur de chaleur 1 1 selon l'invention comprend préférentiellement deux passes et deux passes seulement, à savoir une première passe 21 et la passe terminale 23. Il peut aussi comprendre au moins une passe en aval de la première passe 21 dans la ou lesquelles le fluide de travail 5 sera en phase liquide. Il peut également comprendre au moins une passe intermédiaire dans la ou lesquelles ledit fluide de travail 5 est dans un état bi-phasique liquide/vapeur. Une passe correspond à ensemble de tubes définis dans un même plan, par exemple, dans le cas où il y a deux passes, le fluide de travail 5 circule successivement dans un premier sens pour la première passe, ou à l'intérieur du premier ensemble de tubes, puis dans un sens inverse au premier sens pour la deuxième passe ou à l'intérieur du deuxième ensemble de tubes.

La première passe 21 en contre-courant, dans laquelle la puissance thermique échangée est élevée, assure le réchauffement du fluide de travail 5 sous forme liquide et une partie de l'évaporation. La passe terminale 23 en co-courant assure le reste de l'évaporation et la surchauffe du fluide de travail 5. L'effet de ladite surchauffe sera cependant limité puisque l'on travaille en co-courant. Ledit second fluide 3 quant à lui circule en une passe ce qui minimise la perte de charge. Ledit échangeur de chaleur 1 1 pourra comprendre un faisceau d'échange de chaleur, par exemple, à plaques empilées ou à tubes.

Un tel échangeur 1 1 permet de mettre en œuvre un procédé de récupération d'énergie à partir de la chaleur d'un second fluide, ici des gaz d'échappement 3, utilisant la boucle de circulation décrite précédemment.

Ledit procédé comprend une étape de séparation desdits gaz d'échappement 3, en un premier flux 3a et en un second flux 3b, en aval dudit échangeur 1 1 . Cette séparation se fait de manière à ce que le fluide de travail 5 circule à contre-courant par rapport au premier flux 3a dans ladite première passe 21 dans laquelle ou lesquelles ledit fluide de travail 5 est en phase liquide sur la première partie 21 a et dans l'état bi-phasique liquide/vapeur sur la seconde partie 21 b et circule à co-courant par rapport audit second flux 3b dans ladite passe terminale 23 dans laquelle ledit fluide de travail 5 est dans l'état bi-phasique liquide/vapeur sur une première partie 23a et en phase vapeur sur la seconde partie 23b. La séparation est réalisée par l'intermédiaire d'un moyen de séparation qui comprend tout moyen permettant de faire une répartition en deux flux 3a,3b ainsi qu'une régulation des débits desdits flux 3a,3b des gaz d'échappement 3. Les moyens de séparation permettent une séparation géométrique des gaz d'échappement 3 et comprennent à titre d'exemple une cloison interne au sein de la canalisation qui véhicule les gaz d'échappement 3, séparant ainsi les gaz d'échappement 3 en deux flux 3a,3b, ou encore une bifurcation de la canalisation véhiculant les gaz d'échappement 3 en deux sous-canalisation, séparant ainsi les gaz d'échappement 3 en deux flux 3a,3b. Les moyens de séparation peuvent par exemple séparer les gaz d'échappement de manière à avoir un débit plus important pour un flux 3a que pour l'autre flux 3b.

Lesdits gaz d'échappement 3 échangent ainsi de la chaleur avec ledit fluide de travail 5 de sorte que celui-ci atteigne l'état bi-phasique liquide/vapeur en sortie de ladite première passe 21 et qu'il soit en phase vapeur mais à une température limitée à la sortie de ladite passe terminale 23, c'est-à-dire à la sortie de l'échanger de chaleur 1 1 . Il s'agit des parties 21 b et 23b, respectivement.

A la sortie de l'échangeur de chaleur 1 1 , les gaz d'échappement 3 sont refroidis et le premier et le second flux 3a et 3b sont mélangés pour être par la suite évacués.

De façon avantageuse, la surface d'échange de la passe terminale 23 représente au plus 50%, de préférence entre 40 et 10%, et plus préférentiellement entre 30 et 20% de la surface d'échange totale desdites première passe 21 et passe terminale 23. Par conséquent, ladite surface d'échange de la première passe 21 représente au moins 50%, de préférence entre 60 et 90%, et plus préférentiellement entre 70 et 80% de la surface d'échange totale desdites première passe 21 et passe terminale 23. Dans le cas d'un échangeur 1 1 à deux passes, comme représenté ici, la surface d'échange totale desdites première passe 21 et passe terminale 23 correspond à la surface d'échange de l'échangeur 1 1 .

Autrement dit, le second fluide 3 circule avec un débit différent dans chacune des passes. La répartition du seconde fluide 3 se fait de manière à ce qu'au plus 50%, de préférence entre 40 et 10%, et plus préférentiellement entre 30 et 20% du débit du second fluide 3 circule dans la passe dite terminale 23. Par conséquent, la répartition du seconde fluide 3 se fait de manière à ce qu'au moins 50%, de préférence entre 60 et 90%, et plus préférentiellement entre 70 et 80% du débit du second fluide 3 circule dans la première passe 21 . Le fait d'avoir une faible partie du débit du second fluide 3 qui traverse la passe terminale 23 permet d'avoir une forte diminution de la température du second fluide 3 lors de son passage dans cette passe. De plus, le fait que cette passe 23 soit en co-courant implique que le fluide de travail 5 en sortie de l'échangeur de chaleur 1 1 soit en contact avec le second fluide 3 à la température la plus basse. Cela diminue les risques pour le liquide de travail 5 d'atteindre une température trop élevée en sortie d'échangeur et d'être détérioré.

De manière avantageuse, ledit fluide de travail 5 est un liquide réfrigérant, et plus particulièrement de l'éthanol, et ledit second fluide 3 est les gaz d'échappement d'un moteur de véhicule. Le fluide échangeant de la chaleur avec le fluide de travail 5 dans les échangeurs 7 et 15 pourra être un liquide de refroidissement.

TEST

Tout d'abord la puissance mécanique de l'organe de détente 13 a été mesurée lorsqu'un véhicule est à une vitesse statique de 100 km/h. Puis le temps mis par le fluide de travail 5 pour atteindre 250 °C a été mesuré lorsqu'un véhicule passe d'une vitesse de 100 km/h à une vitesse de 120 km/h. Ces tests ont été réalisés dans le cas d'un échangeur de chaleur 1 1 selon l'invention dans lequel le ledit fluide de travail 5 est de l'éthanol circulant en deux passes 21 et 23 et ledit second fluide 3 est les gaz d'échappement d'un moteur du véhicule. Ces mêmes tests ont été réalisés dans le cas d'un échangeur à une passe à contre-courant et dans le cas d'un échangeur à une passe à co-courant. 1 passe 2 passes 1 passe contre- co-

90/10 80/20 70/30 50/50 40/60 30/70

courant courant

Puissance

mécanique (W) 554 530 528 518,7 498 489 476 443 du détendeur

Temps (s) pour

5 10,1 10,25 10,4 10,7 1 1 ,3 12 14,7 atteindre 250 °C

Tableau 1

L'échangeur à contre-courant permet d'obtenir une puissance mécanique maximale au niveau de l'organe de détente (554 W) mais lors du passage de 100 à 120 km/h la température de 250 °C est atteinte en 5 s. Cela nécessite l'utilisation d'un système plus onéreux de capteur de température et d'actionneur répondant en moins de 5 s pour éviter au fluide de travail d'être détérioré.

L'échangeur à co-courant permet d'obtenir une puissance mécanique au niveau du détendeur inférieure de 25% par rapport au contre-courant (443 W). En revanche, lors du passage de 100 à 120 km/h la température de 250 °C est atteinte en 14,7 s.

L'échangeur 1 1 deux passes contre-courant/co-courant optimisé notamment avec une répartition fluide de travail/second fluide comprise entre 80/20 et 70/30 (c'est-à-dire que la surface d'échange de la passe terminale 23 représente entre 20% et 30 % de la surface d'échange totale desdites première passe 21 et passe terminale 23, et par conséquent la surface d'échange de la première passe 21 représente entre 80 et 70% de la surface d'échange totale desdites première passe 21 et passe terminale 23) permet une diminution modérée de 4% de la puissance de l'organe de détente 13 par rapport à un échangeur à contre-courant, tout en garantissant une constante de temps d'environ 10 s deux fois plus élevée. On obtient ainsi un échangeur 1 1 avec une très bonne performance thermique sans devoir utilisé un système onéreux de capteur de température et d'actionneur.

De manière avantageuse ledit changement de phase est localisé en fin de première passe 21 et/ou en début de passe terminale 23. Dans l'exemple illustré figures 2 et 3, le fluide de travail 5 est sous forme liquide dans la première partie 21 a de la première passe 21 et sous forme bi-phasique liquide/vapeur dans la deuxième partie 21 b de la première passe 21 . Dans la seconde passe qui est ladite passe terminale 23, le fluide de travail 5 est sous forme bi-phasique liquide/vapeur dans la première partie 23a de la passe terminale 23 et à l'état vapeur dans la deuxième partie 23b de la passe terminale 23.

Le changement d'état d'un fluide de travail a été observé dans un échangeur de chaleur à contre-courant de l'art antérieur et dans un échangeur de chaleur 1 1 selon la figure 2 avec une répartition fluide de travail/second fluide de 80/20 pour un véhicule à une vitesse constante de 100 km/h. Ces mesures figurent dans le graphe de la figure 4.

Ainsi, la partie liquide occupe une surface très élevée dans les deux échangeurs (70% de la surface pour l'échangeur à contre-courant et 60% pour l'échangeur 1 1 à deux passes 80/20 selon l'invention). Il s'agit de la partie référencée 21 a dans la figure 2.

La partie allouée à l'évaporation, c'est-à-dire la partie ou le fluide de travail est dans un état bi-phasique liquide/vapeur, est de 25% pour l'échangeur à contre-courant et de 17,5% pour l'échangeur 1 1 à deux passes 80/20 selon l'invention. Il s'agit des parties référencées 21 b et 23a dans la figure 2.

La différence essentielle entre l'échangeur de l'état de l'art et l'échangeur 1 1 selon l'invention réside dans la surface allouée pour la surchauffe, c'est-à-dire la partie où le fluide de travail est sous forme de vapeur. Il s'agit de la partie référencée 23b dans la figure 2. Ainsi, 5% de l'échangeur à contre-courant est en phase vapeur. Cet échangeur de l'art antérieur est par conséquent très sensible à une faible variation de débit du fluide de travail (éthanol) dû à la faible surface de l'échangeur nécessaire pour réaliser la surchauffe. En revanche, 22,5% de l'échangeur 1 1 à deux passes 80/20 selon l'invention est en phase vapeur. Il nécessite donc une surface d'échange quatre fois plus importante et est donc plus stable en termes de contrôle qu'un échangeur à contre-courant.

De manière avantageuse, l'échangeur de chaleur 1 1 présente une configuration allongée. Notamment chacune desdites passes 21 et 23 présente une configuration allongée et sont disposées en parallèle l'une à l'autre. Une telle configuration facilite l'intégration de l'échangeur de chaleur dans une ligne d'échappement.

Il est à noter que des variantes de réalisation sont bien sûr possibles et que la présente invention ne se limite pas à une récupération d'énergie seulement à partir de la chaleur des gaz d'échappement. Il est envisageable, par exemple, de récupérer la chaleur de tout autre fluide ayant la température adéquat. De même, il est possible d'envisager un autre fluide de travail que l'éthanol.