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EP2360355A1 - Dispositif de contrôle d'un fluide de travail à bas point de congélation circulant dans un circuit fermé fonctionnant selon un cycle de Rankine et procédé utilisant un tel dispositif - Google Patents

Dispositif de contrôle d'un fluide de travail à bas point de congélation circulant dans un circuit fermé fonctionnant selon un cycle de Rankine et procédé utilisant un tel dispositif Download PDF

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Publication number
EP2360355A1
EP2360355A1 EP11290052A EP11290052A EP2360355A1 EP 2360355 A1 EP2360355 A1 EP 2360355A1 EP 11290052 A EP11290052 A EP 11290052A EP 11290052 A EP11290052 A EP 11290052A EP 2360355 A1 EP2360355 A1 EP 2360355A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fluid
circuit
reservoir
tank
pipe
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP11290052A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP2360355B1 (fr
Inventor
Cyprien Ternel
Pierre Leduc
Alexandre Duparchy
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Original Assignee
IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFP Energies Nouvelles IFPEN filed Critical IFP Energies Nouvelles IFPEN
Publication of EP2360355A1 publication Critical patent/EP2360355A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP2360355B1 publication Critical patent/EP2360355B1/fr
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/065—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle the combustion taking place in an internal combustion piston engine, e.g. a diesel engine

Definitions

  • the present invention relates to a device for controlling a low-freezing working fluid, in particular water, contained in a closed circuit operating according to a Rankine cycle and to a method using such a device.
  • the Rankine cycle is a closed circuit thermodynamic cycle having the particular feature of using a phase change (liquid / vapor) of a working fluid.
  • This cycle is generally broken down into a step during which the working fluid used, here water in liquid form, is compressed isentropically, followed by a step where the compressed water is heated and vaporized in contact with a source of heat, this water vapor is then relaxed, in another step, isentropically in an expansion machine, then, in a final step, this relaxed vapor is cooled and condensed in contact with a cold source .
  • the working fluid used here water in liquid form
  • the circuit comprises a positive displacement pump (or compressor) for compressing the water in liquid form, a heat exchanger (or evaporator) which is swept by a hot fluid to achieve the at least partial vaporization of the compressed water, an expansion machine for relaxing the steam, such as a turbine, which converts the energy of this steam into another energy, such as mechanical or electrical energy, and another heat exchanger (or condenser) with which the heat contained in the steam is yielded to a cold source, generally outside air which sweeps this condenser, to transform this vapor into water in liquid form.
  • a positive displacement pump or compressor
  • a heat exchanger or evaporator
  • He is also known, in particular by the document FR 2 884 555 , to use the heat energy conveyed by the exhaust gas of an internal combustion engine, in particular that used for motor vehicles, as a hot source for heating and vaporization of the fluid passing through the evaporator.
  • the saturation curve of this fluid must be optimized according to the temperature of the hot source and the cold source.
  • an aqueous working fluid in a Rankine cycle circuit has the advantage of having characteristics that make it possible to obtain a maximum saturation curve while having the advantage of being non-dangerous. .
  • water has the specificity of having a freezing point at low temperatures (around 0 ° C) and it is usual to add antifreeze additives, such as glycol, to lower this freezing point to acceptable temperature levels, of the order of -15 to -30 ° C.
  • antifreeze additives such as glycol
  • this additive water undergoes unpredictable aging as the liquid / vapor phase changes. This unpredictable aging can lead to incomplete phase changes of this water, which generates a malfunction of the Rankine cycle circuit.
  • the present invention proposes to overcome the above disadvantages by means of a device and a process which limit or even prevent the freezing of the working fluid without this resulting in a modification of its liquid / vapor phase transformation characteristics.
  • the invention relates to a device for controlling the low-freezing working fluid circulating in a closed circuit operating according to a Rankine cycle, said circuit comprising a liquid-form fluid compression pump, a heat exchanger swept by a hot source for evaporation of said fluid, means for expansion of the fluid in vapor form, and a cooling exchanger swept by a cold source for the condensation of the working fluid, characterized in that it comprises a reservoir of receiving fluid for draining said circuit.
  • the tank may be an insulated tank, an expandable tank, a tank comprising a larger capacity than the volume of the fluid contained in the circuit.
  • the reservoir may include a heating system for the fluid contained therein.
  • the device may comprise at least one pipe for connecting the circuit to the tank.
  • the device may comprise a pipe for emptying the circuit fluid in the tank and a pipe for filling the circuit with the fluid of this tank.
  • the pipe may comprise a valve.
  • At least one of the conduits may comprise a fluid circulation pump.
  • At least one of the lines can be connected at a point of a circulation line between the compression pump and the heat exchanger for evaporation of said fluid.
  • the circulation line may carry a valve placed between the point and the heat exchanger for evaporation of said fluid.
  • the working fluid may be water free of antifreeze additive.
  • the hot source can come from the exhaust gases of an internal combustion engine.
  • the invention also relates to a method for controlling a low-freezing working fluid circulating in a closed circuit operating on a Rankine cycle, said circuit comprising a liquid-form fluid compression pump, a swept-in heat exchanger by a hot source for evaporation of said fluid, means for expanding the fluid in vapor form, and a cooling exchanger swept by a cold source for the condensation of the working fluid, characterized in that it consists, during the stopping the operation of the circuit, transferring at least a portion of the fluid contained in said circuit to a reservoir.
  • the method may include transferring the fluid to the reservoir when the circuit operation is stopped when the ambient temperature is below the freezing temperature of the fluid.
  • the method can consist of transferring the fluid contained in the reservoir to the circuit during the operation of the circuit.
  • the method may include circulating the fluid in a conduit connecting the circuit to the reservoir under the action of the compression pump.
  • the method may comprise circulating the fluid in a pipe connecting the circuit to the tank under the action of a circulation pump carried by said pipe.
  • the method may consist in transferring by gravity the fluid contained in the reservoir to the circuit during the operation of the circuit.
  • the Rankine cycle closed circuit 10 comprises a circulating and compression pump 12 (or compressor) of a working fluid with an inlet 14 of the working fluid in liquid form and an outlet 16 of this working fluid also under liquid form but compressed under high pressure.
  • This compressor is advantageously rotated by an electric motor (not shown).
  • This circuit also comprises a heat exchanger 18, called evaporator, traversed by the compressed working fluid between an inlet 20 of the liquid fluid and an outlet 22 through which the working fluid emerges from this evaporator in the form of compressed steam.
  • This evaporator is traversed by a hot source 24 from the exhaust gas flowing in the exhaust line 26 of an internal combustion engine 28 and more particularly of a motor vehicle engine.
  • This circuit also comprises an expansion machine 30, called expansion valve, receiving at its inlet 32 the working fluid in the form of vapor compressed at high pressure, this fluid emerging through the outlet 34 of the pressure regulator in the form of low-pressure expanded steam.
  • expansion machine 30 called expansion valve
  • this expander may be in the form of an expansion turbine whose rotor is rotated by the working fluid in the form of steam by driving a connecting shaft (not shown).
  • this shaft makes it possible to transmit the recovered energy to any transformer device, such as for example an electric generator.
  • the circuit further comprises a cooling exchanger 36, or condenser, with an inlet 38 for the low-pressure vapor expanded and an outlet 40 for the working fluid converted into liquid form after passing through this condenser.
  • This condenser is swept by a cold source, usually a cold fluid (Arrow F) with air at room temperature, so as to cool the expanded steam so that it condenses and turns into liquid.
  • a cold source usually a cold fluid (Arrow F) with air at room temperature
  • Fluid circulation lines 42, 44, 46 and 48 make it possible to successively connect the various elements of this circuit so that the fluid circulates in the direction indicated by the arrows C. More specifically, the pipe 42 connects the outlet of the compressor to the fluid. At the inlet of the evaporator, line 44 connects the outlet of this evaporator to the inlet of the expander, line 46 establishes a connection between the outlet of the expander and the inlet 42 of the condenser and line 48 connects the outlet of the condenser. with the compressor inlet.
  • any other phase change fluid (liquid / vapor) without antifreeze additive, can freeze at low temperature (around 0 ° C), can be used, such as organic fluids.
  • a device for controlling the working fluid 50 with means for storing the water contained in the circuit is associated with this circuit.
  • These means comprise a closed storage tank 52 of the water collected after emptying the circuit.
  • This reservoir makes it possible to keep this water in a liquid state even when the ambient temperature is at a level that can lead to its freezing or to freeze it without risk of damaging the reservoir and / or the circuit.
  • the tank is a heat insulated tank 54 with a peripheral coating 56 which covers all or part of its walls 58 by thermally insulating it from the ambient air.
  • the reservoir is an expandable reservoir 60 with at least a portion of its walls 62 which is elastically deformable under the effect of the increase in volume of the frozen water.
  • This reservoir has a configuration such that it comprises an internal volume that is greater than the volume of the water contained in the circuit leaving a gaseous sky 64 between the water level and the upper wall of the reservoir.
  • This gaseous sky comprises a volume at least equal to the increase in volume of the water after freezing.
  • the reservoir may include a heating system 66 of liquid contained in the reservoir.
  • This system comprises, by way of example, an electrical heating resistor 68 placed inside this tank and supplied with current by electrical conductors 70.
  • control means within the reach of those skilled in the art are connected to this heating system to regulate and / or activate it with for example a measurement of the ambient temperature by means of a temperature sensor.
  • This tank is connected to the circulation pipe 42 by a drain line 72 from the upper part of this tank and arriving at a connection point 74 with the pipe 42.
  • This drain pipe carries a valve 76 with two positions, full opening and full closure, to control the flow of water in this pipe.
  • a filling line 78 also connects the bottom of the tank to a junction point 80 with the line 42.
  • This filling line also comprises a two-position valve, full opening and full closure, and a circulation pump 84, preferably electric, which manages the flow of water in this pipe.
  • the emptying and filling pipes may be insulated so as to limit the freezing of the water contained in these pipes.
  • the pipe 42 carries a control valve 86 placed downstream of the two junction and connection points and upstream of the inlet 20 of the evaporator 18.
  • valves 76, 82 and 86 are controlled by any known means, such as electric motors, under the control of a computing unit and more particularly of the calculator of the internal combustion engine.
  • this computing unit controls the drive motors of compressor 12 and pump 84.
  • the water circulates only in the circuit in a clockwise direction considering the figure 1 (arrows C).
  • the drain valves 76 and filling 82 are in a closed position for the pipes 72 and 78 while the valve 86 is in an open position for the pipe 42.
  • the pump 84 is inactive and the compressor 12 is rotated by its electric motor.
  • This compressed water circulates in the pipe 42 to reach the evaporator 22 through the opening of the control valve 86 and can not flow in the pipes 72 and 78 closed by the valves 76 and 82.
  • This compressed water passes through the evaporator so as to become vapor under the effect of the heat sweeping this evaporator and from the exhaust gas of the engine 28.
  • the water vapor leaving the evaporator is conveyed by the pipe 44 to pass through the evaporator. expander 30 by transmitting the energy it contains.
  • the water vapor released from this regulator flows in line 46 to pass through the condenser 36 in which it is converted into a liquid water. This liquid water is then fed via line 48 to compressor 12 to be compressed.
  • the computing unit controls the control valve 86 so that it prevents any flow of the compressed water contained in the pipe 42 to the inlet of the evaporator 18 while maintaining the closed position of the filling valve 82 for the filling line 78 as well as the inaction of the pump 84.
  • This unit also controls the drain valve 76 so that it is in the open position of the drain line 72 so as to establish a communication between the pipe 42 and the tank 52 through the connection point 74 and this pipe. emptying 72.
  • the drive of the compressor 12 is maintained and the water leaving the compressor 12 is introduced into the filling line 72 through the point 74 to be transferred into the tank, here in the top of the tank, according to the arrows V of the figure 1 .
  • connection points 74 and the stitching points 80 and the control valve 86 will place the connection points 74 and the stitching points 80 and the control valve 86 closer to the outlet 16 of the compressor 12 and limit the extent of the lines 72 and 78. This makes it possible to limit areas where residual water can freeze.
  • the heating system 66 when its control means will detect a temperature of the ambient air capable of generating the gel of this water. In the case of a freeze of water in the tank, the heating system 66 is actuated by the computer so as to thaw the water to start the circuit 10.
  • control valve 86 When restarting the Rankine cycle circuit, the control valve 86 is in the open position of the circulation line 42, the valve 76 is placed in the closed position of the filling line 72 and the valve 82 is placed in an open position of the filling line 78.
  • the compressor 12 and the pump 84 are actuated with the result of introducing into the pipe 42, through the junction point 80, the water contained in the tank. This water is withdrawn from the tank under the action of the pump to circulate in the filling line 78 and then flows in the pipe 42 according to the arrows R of the figure 1 . This water introduced into the pipe 42 is then circulated in the circuit 10 under the effect of the compressor 12 undergoing the various phase changes, as mentioned above.
  • the skilled person will set the operating time of the pump 84 to determine its stop after the reintroduction of all the water from the tank in the circuit 10. It may alternatively place a detection means in the tank, such as a float , which will control the interruption of the drive pump 84 when the float will detect no presence of water in the tank.
  • a detection means such as a float
  • the drain pipe 72 and its valve 76 may be provided to remove the drain pipe 72 and its valve 76 and use only the pipe 78 with its valve 82 and pump 84 as a drain pipe and filling with the feature that the pump 84 is a bidirectional pump.
  • valve 86 when stopping the operation of the circuit, the valve 86 is placed in a closed position of the pipe 42 and the valve 82 is in the open position of the pipe 42.
  • the compressor 12 and the pump 84 are actuated in the same direction of rotation to introduce the circuit water in the pipe 78 and in the bottom of the tank 52 according to the arrows V '.
  • valve 82 When restarting this circuit, the valve 82 remains in the open position of the pipe 78 and the valve 86 switches to a fully open position of the circulation pipe 42.
  • the compressor is operated in the same direction as for the emptying and the pump is controlled in a direction opposite to that of the emptying so as to extract the water contained in the tank to circulate in the pipe 78 according to the arrows R, as previously mentioned.
  • the variant of the figure 2 differs from the example of the figure 1 by specific positioning of the tank 52 and by the removal of the circulation pump on the filling line 78.
  • the tank is positioned relative to the circuit 10 in such a way that the connection point 88 of the filling line 78 with the tank, placed here in the bottom of this tank, is situated above the junction point 80 of this line with the circulation line 42.
  • the operation of the circuit is similar to that of the figure 1 with the closures of the valves 76 and 82, the opening of the valve 86 and a circulation of water according to the arrows C under the action of the compressor 12.
  • the step of emptying the water in the tank 52 to stop the operation of the circuit is also identical to that of the figure 1 with the closures of the valves 82 and 86, the opening of the valve 76 and an actuation of the compressor 12 to obtain a flow of water according to the arrows V.
  • valve 76 is in the closed position of the pipe 72, the valves 82, 86 are in the open position of the pipes 78 and 42 and the compressor 12 is actuated.
  • the water contained in the reservoir flows through the point of connection 88 and flows in the filling pipe 78 and then in the circulation pipe 42 according to the arrows R.
  • thermosensor for this, it can be used a temperature sensor dedicated to this measurement or the sensor that is associated with the heating system 66.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif de contrôle du fluide de travail à bas point de congélation circulant dans un circuit fermé (10) fonctionnant selon un cycle de Rankine, ledit circuit comprenant une pompe de compression (12) du fluide sous forme liquide, un échangeur de chaleur (22) balayé par une source chaude (28) pour l'évaporation dudit fluide, des moyens de détente (30) du fluide sous forme vapeur, et un échangeur de refroidissement (40) balayé par une source froide (F) pour la condensation du fluide de travail.
Selon l'invention, le dispositif comprend un réservoir (52) de réception du fluide pour la vidange dudit circuit.

Description

  • La présente invention se rapporte à un dispositif de contrôle d'un fluide de travail à bas point de congélation, en particulier de l'eau, contenu dans un circuit fermé fonctionnant selon un cycle de Rankine et à un procédé utilisant un tel dispositif.
  • Elle vise notamment l'association de ce dispositif à un moteur à combustion interne, en particulier pour véhicule automobile.
  • Comme cela est connu, le cycle de Rankine est un cycle thermodynamique à circuit fermé ayant pour particularité de faire appel à un changement de phase (liquide/vapeur) d'un fluide de travail.
  • Ce cycle se décompose généralement en une étape durant laquelle le fluide de travail utilisé, ici de l'eau sous forme liquide, est comprimée de manière isentropique, suivie d'une étape où cette eau comprimée est chauffée et vaporisée au contact d'une source de chaleur, cette vapeur d'eau est ensuite détendue, au cours d'une autre étape, de manière isentropique dans une machine de détente, puis, dans une dernière étape, cette vapeur détendue est refroidie et condensée au contact d'une source froide.
  • Pour réaliser ces différentes étapes, le circuit comprend une pompe volumétrique (ou compresseur) pour comprimer l'eau sous forme liquide, un échangeur de chaleur (ou évaporateur) qui est balayé par un fluide chaud pour réaliser la vaporisation au moins partielle de l'eau comprimé, une machine de détente pour détendre la vapeur, telle qu'une turbine, qui transforme l'énergie de cette vapeur en une autre énergie, comme une énergie mécanique ou électrique, et un autre échangeur de chaleur (ou condenseur) grâce auquel la chaleur contenue dans la vapeur est cédée à une source froide, généralement de l'air extérieur qui balaye ce condenseur, pour transformer cette vapeur en de l'eau sous forme liquide.
  • Il est également connu, notamment par le document FR 2 884 555 , d'utiliser l'énergie calorifique véhiculée par les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, en particulier celui utilisé pour des véhicules automobiles, comme source chaude pour assurer le chauffage et la vaporisation du fluide traversant l'évaporateur.
  • Ceci permet d'améliorer l'efficacité énergétique de ce moteur en récupérant une grande partie de l'énergie perdue à l'échappement pour la transformer en une énergie qui peut être utilisée pour le véhicule automobile au travers du circuit à cycle de Rankine.
  • Le choix de ce fluide de travail, qui subit une succession de transformation de phase liquide/vapeur, est donc déterminant.
  • En effet, la courbe de saturation de ce fluide doit être optimisée en fonction de la température de la source chaude et de la source froide.
  • A ce titre, l'utilisation d'un fluide de travail aqueux dans un circuit à cycle de Rankine présente l'avantage d'avoir des caractéristiques permettant d'obtenir une courbe de saturation maximale tout en présentant l'avantage d'être non dangereuse.
  • Cependant, l'eau a pour spécificité d'avoir un point de congélation à des températures basses (aux environs de 0°C) et il est habituel de lui ajouter des additifs antigel, comme du glycol, pour baisser ce point de congélation à des niveaux de températures acceptables, de l'ordre de -15 à -30°C.
  • L'ajout de tels additifs a pour inconvénients de changer les caractéristiques de l'eau, en particulier ses caractéristiques de vaporisation, et la source chaude provenant des gaz d'échappement peut s'avérer insuffisante pour réaliser de manière satisfaisante cette vaporisation.
  • De plus au fil du temps, cette eau additivée subit un vieillissement imprévisible au fur et à mesure des changements de phases liquide/vapeur. Ce vieillissement imprévisible peut entrainer des changements de phases incomplets de cette eau, ce qui génère un dysfonctionnement du circuit à cycle de Rankine.
  • La présente invention se propose de remédier aux inconvénients ci-dessus grâce à un dispositif et à un procédé qui limitent, voire empêchent, le gel du fluide de travail sans que cela entraîne une modification de ses caractéristiques de transformation de phase liquide/vapeur.
  • A cet effet, l'invention concerne un dispositif de contrôle du fluide de travail à bas point de congélation circulant dans un circuit fermé fonctionnant selon un cycle de Rankine, ledit circuit comprenant une pompe de compression du fluide sous forme liquide, un échangeur de chaleur balayé par une source chaude pour l'évaporation dudit fluide, des moyens de détente du fluide sous forme vapeur, et un échangeur de refroidissement balayé par une source froide pour la condensation du fluide de travail, caractérisé en ce qu'il comprend un réservoir de réception du fluide pour la vidange dudit circuit.
  • Le réservoir peut être un réservoir calorifugé, un réservoir expansible, un réservoir comprenant une contenance plus grande que le volume du fluide contenu dans le circuit.
  • Le réservoir peut comporter un système de chauffage pour le fluide qui y est contenu.
  • Le dispositif peut comprendre au moins une conduite pour relier le circuit au réservoir.
  • Le dispositif peut comprendre une conduite pour la vidange du fluide du circuit dans le réservoir et une conduite pour le remplissage du circuit par le fluide de ce réservoir.
  • De manière préférentielle, la conduite peut comprendre une vanne.
  • Au moins une des conduites peut comprendre une pompe de circulation de fluide.
  • Au moins une des conduites peut être reliée en un point d'une conduite de circulation entre la pompe de compression et l'échangeur de chaleur pour l'évaporation dudit fluide.
  • La conduite de circulation peut porter une vanne placée entre le point et l'échangeur de chaleur pour l'évaporation dudit fluide.
  • Préférentiellement, le fluide de travail peut être de l'eau dépourvue d'additif antigel.
  • La source chaude peut provenir des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne.
  • L'invention concerne également un procédé de contrôle d'un fluide de travail à bas point de congélation circulant dans un circuit fermé fonctionnant selon un cycle de Rankine, ledit circuit comprenant une pompe de compression du fluide sous forme liquide, un échangeur de chaleur balayé par une source chaude pour l'évaporation dudit fluide, des moyens de détente du fluide sous forme vapeur, et un échangeur de refroidissement balayé par une source froide pour la condensation du fluide de travail, caractérisé en ce qu'il consiste, lors de l'arrêt du fonctionnement du circuit, à transférer au moins une partie du fluide contenu dans ledit circuit vers un réservoir.
  • Le procédé peut consister à transférer le fluide vers le réservoir, lors de l'arrêt du fonctionnement du circuit, lorsque la température ambiante est inferieure à la température de congélation du fluide.
  • Le procédé peut consister à transférer le fluide contenu dans le réservoir vers le circuit lors de la mise en fonctionnement du circuit.
  • Le procédé peut consister à faire circuler le fluide dans une conduite reliant le circuit au réservoir sous l'action de la pompe de compression.
  • Le procédé peut consister à faire circuler le fluide dans une conduite reliant le circuit au réservoir sous l'action d'une pompe de circulation portée par ladite conduite.
  • Le procédé peut consister à transférer par gravité le fluide contenu dans le réservoir vers le circuit lors de la mise en fonctionnement du circuit.
  • Les autres caractéristiques et avantages de l'invention vont apparaître à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre uniquement illustratif et non limitatif, et à laquelle sont annexées :
    • la figure 1 qui montre un dispositif de contrôle d'un circuit fermé fonctionnant selon un cycle de Rankine, et
    • la figure 2 qui illustre une variante du dispositif de la figure 1.
  • Sur la figure 1, le circuit fermé à cycle de Rankine 10 comprend une pompe de circulation et de compression 12 (ou compresseur) d'un fluide de travail avec une entrée 14 du fluide de travail sous forme liquide et une sortie 16 de ce fluide de travail également sous forme liquide mais comprimé sous une pression élevée. Ce compresseur est avantageusement entrainé en rotation par un moteur électrique (non représenté).
  • Ce circuit comporte aussi un échangeur de chaleur 18, dénommé évaporateur, traversé par le fluide de travail comprimé entre une entrée 20 de ce fluide liquide et une sortie 22 au travers de laquelle le fluide de travail ressort de cet évaporateur sous forme de vapeur comprimée. Cet évaporateur est parcouru par une source chaude 24 provenant des gaz d'échappement circulant dans la ligne d'échappement 26 d'un moteur à combustion interne 28 et plus particulièrement d'un moteur pour véhicule automobile.
  • Ce circuit comporte également une machine de détente 30, baptisée détendeur, recevant par son entrée 32 le fluide de travail sous forme de vapeur comprimée à haute pression, ce fluide ressortant par la sortie 34 de ce détendeur sous forme de vapeur détendue à basse pression.
  • Avantageusement, ce détendeur peut être sous !a forme d'une turbine de détente dont le rotor est entraîné en rotation par le fluide de travail sous forme de vapeur en entrainant un arbre de liaison (non représenté). De manière préférentielle, cet arbre permet de transmettre l'énergie récupérée à tout dispositif transformateur, comme par exemple une génératrice électrique.
  • Le circuit comporte encore un échangeur de refroidissement 36, ou condenseur, avec une entrée 38 pour la vapeur basse pression détendue et une sortie 40 pour le fluide de travail transformé sous forme liquide après son passage dans ce condenseur. Ce condenseur est balayé par une source froide, généralement un fluide froid (Flèche F) avec de l'air à température ambiante, de manière à refroidir la vapeur détendue pour qu'elle se condense et se transforme en liquide.
  • Des conduites de circulation de fluide 42, 44, 46 et 48 permettent de relier successivement les différents éléments de ce circuit pour que le fluide circule selon le sens indiqué par les flèches C. Plus précisément, la conduite 42 relie la sortie du compresseur à l'entrée de l'évaporateur, la conduite 44 raccorde la sortie de cet évaporateur à l'entrée du détendeur, la conduite 46 établit une liaison entre la sortie du détendeur et l'entrée 42 du condenseur et la conduite 48 connecte la sortie du condenseur avec l'entrée du compresseur.
  • Dans la suite de la description, il est fait mention de l'eau comme fluide de travail à bas point de congélation (aux environs de 0°C) circulant dans ce circuit. Cette eau possède la particularité de ne comporter aucun additif et plus particulièrement aucun additif évitant son gel. A titre de fluide de travail, tout autre fluide à changement de phase (liquide/vapeur) sans additif antigel, pouvant geler à basse température (aux environs de 0°C), peut être utilisé, comme par exemple des fluides organiques.
  • Comme illustré sur cette figure, un dispositif de contrôle du fluide de travail 50 avec des moyens de stockage de l'eau contenue dans le circuit est associé à ce circuit.
  • Ces moyens comprennent un réservoir fermé de stockage 52 de l'eau recueillie après la vidange du circuit. Ce réservoir permet de conserver cette eau à l'état liquide même lorsque la température ambiante est à un niveau pouvant entrainer son gel ou de la laisser geler sans risque de détérioration du réservoir et/ou du circuit.
  • Plus précisément, le réservoir est un réservoir calorifugé 54 avec un revêtement périphérique 56 qui recouvre tout ou partie de ses parois 58 en l'isolant thermiquement de l'air ambiant.
  • Alternativement, le réservoir est un réservoir expansible 60 avec au moins une partie de ses parois 62 qui soit élastiquement déformable sous l'effet de l'augmentation de volume de l'eau gelée.
  • Il peut également être prévu d'utiliser un réservoir de grand volume. Ce réservoir a une configuration telle qu'il comprend un volume interne qui soit supérieur au volume de l'eau contenu dans le circuit en laissant subsister un ciel gazeux 64 entre le niveau de l'eau et la paroi supérieure de ce réservoir. Ce ciel gazeux comprend un volume au moins égale à l'augmentation de volume de l'eau après son gel.
  • Dans toutes les dispositions de réservoirs mentionnées ci-dessus, le réservoir peut comporter un système de chauffage 66 de liquide contenu dans le réservoir. Ce système comprend, à titre d'exemple, une résistance électrique de chauffage 68 placée à l'intérieur de ce réservoir et alimentée en courant par des conducteurs électriques 70.
  • Bien entendu, tous moyens de contrôle à la portée de l'homme du métier sont connectés à ce système de chauffage pour le réguler et/ou le mettre en action avec par exemple une mesure de la température ambiante grâce à un capteur de température.
  • Ce réservoir est relié à la conduite de circulation 42 par une conduite de vidange 72 partant de la partie haute de ce réservoir et arrivant à un point de raccordement 74 avec la conduite 42. Cette conduite de vidange porte une vanne 76 à deux positions, de pleine ouverture et de pleine fermeture, permettant de contrôler la circulation de l'eau dans cette conduite. Une conduite de remplissage 78 relie également le fond du réservoir à un point de jonction 80 avec la conduite 42. Cette conduite de remplissage comporte également une vanne 82 à deux positions, de pleine ouverture et de pleine fermeture, et une pompe de circulation 84, de préférence électrique, qui permet de gérer la circulation de l'eau dans cette conduite. De manière préférentielle, les conduites de vidange et de remplissage peuvent être calorifugées de façon à limiter le gel de l'eau contenue dans ces conduites.
  • Enfin, la conduite 42 porte une vanne de contrôle 86 placée en aval des deux points de jonction et de raccordement et en amont de l'entrée 20 de l'évaporateur 18.
  • Bien entendu, les vannes 76, 82 et 86 sont commandées par tous moyens connus, comme des moteurs électriques, sous le contrôle d'une unité de calcul et plus particulièrement du calculateur du moteur à combustion interne.
  • De même, cette unité de calcul contrôle les moteurs d'entrainement du compresseur 12 et de la pompe 84.
  • En fonctionnement, l'eau circule uniquement dans le circuit selon un sens horaire en considérant la figure 1 (flèches C). Pour cela, les vannes de vidange 76 et de remplissage 82 sont dans une position de fermeture pour les conduites 72 et 78 alors que la vanne 86 est dans une position d'ouverture pour la conduite 42. La pompe 84 est inactive et le compresseur 12 est entrainé en rotation par son moteur électrique.
  • Dans cette configuration, l'eau sort du compresseur 12 sous forme liquide avec une pression de l'ordre de 10 bars et une température voisine de 50°. Cette eau comprimée circule dans la conduite 42 pour aboutir à l'évaporateur 22 de par l'ouverture de la vanne de contrôle 86 et ne peut pas circuler dans les conduites 72 et 78 fermées par les vannes 76 et 82. Cette eau comprimée traverse l'évaporateur de manière à se transformer en vapeur sous l'effet de la chaleur balayant cet évaporateur et provenant des gaz d'échappement du moteur 28. La vapeur d'eau qui sort de l'évaporateur est véhiculée par la conduite 44 pour traverser le détendeur 30 en lui transmettant l'énergie qu'elle contient. La vapeur d'eau détendue sortant de ce détendeur circule dans la conduite 46 pour traverser le condenseur 36 dans lequel elle se transforme en une eau liquide. Cette eau liquide est ensuite amenée par la conduite 48 au compresseur 12 pour y être comprimé.
  • Lors de l'arrêt du fonctionnement du circuit à cycle de Rankine, l'unité de calcul commande la vanne de contrôle 86 pour qu'elle interdise toute circulation de l'eau comprimée contenue dans la conduite 42 vers l'entrée de l'évaporateur 18 tout en maintenant la position de fermeture de la vanne de remplissage 82 pour la conduite de remplissage 78 ainsi que l'inaction de la pompe 84.
  • Cette unité commande également la vanne de vidange 76 pour qu'elle soit en position d'ouverture de la conduite de vidange 72 de façon à établir une communication entre la conduite 42 et le réservoir 52 au travers du point raccordement 74 et de cette conduite de vidange 72.
  • L'entrainement du compresseur 12 est maintenu et l'eau qui sort du compresseur 12 est introduite dans la conduite de remplissage 72 au travers du point 74 pour être transférée dans réservoir, ici dans le haut du réservoir, selon les flèches V de la figure 1.
  • Bien étendu, il est à la portée de l'homme du métier de calculer le moment où l'entrainement du compresseur est arrêté pour procéder à la vidange complète de l'eau du circuit et son stockage dans le réservoir, ou, tout du moins de manière à ce qu'il ne reste dans le circuit qu'un volume d'eau minime qui, s'il venait à geler, n'endommagerait pas les éléments du circuit.
  • De même, l'homme du métier placera au plus prés de la sortie 16 du compresseur 12 les points de raccordement 74 et de piquage 80 ainsi que la vanne de contrôle 86 et limitera l'étendue des conduites 72 et 78. Ceci permet de limiter les zones où l'eau résiduelle peut geler.
  • L'eau stockée dans le réservoir et qui est initialement à la température de sortie du compresseur (de l'ordre de 50°C), est alors protégée des risques de gel par le calorifugeage 56 du réservoir calorifugé 54 ou peut geler, soit en déformant les parois du réservoir déformable 60, soit en occupant le volume du ciel gazeux 64 du réservoir de grand volume sans porter atteinte à l'intégrité de ce réservoir.
  • Bien entendu, il peut être envisagé de mettre en fonctionnement le système de chauffage 66 lorsque ses moyens de contrôle détecteront une température de l'air ambiant susceptible de générer le gel de cette eau. Dans le cas d'un gel de l'eau dans le réservoir, le système de chauffage 66 est actionné par le calculateur de manière à réaliser le dégel de cette eau pour assurer le démarrage du circuit 10.
  • Lors de la remise en fonctionnement du circuit à cycle de Rankine, la vanne de contrôle 86 est en position d'ouverture de la conduite de circulation 42, la vanne 76 est placée en position de fermeture de la conduite de remplissage 72 et la vanne 82 est mise dans une position d'ouverture de la conduite de remplissage 78.
  • Le compresseur 12 ainsi que la pompe 84 sont mis en action avec pour résultat d'introduire dans la conduite 42, au travers du point de jonction 80, l'eau contenue dans le réservoir. Cette eau est soutirée du réservoir sous l'action de la pompe pour circuler dans la conduite de remplissage 78 puis circule dans la conduite 42 selon les flèches R de la figure 1. Cette eau introduite dans la conduite 42 est ensuite mise en circulation dans le circuit 10 sous l'effet du compresseur 12 en subissant les différents changements de phase, comme mentionné ci-dessus.
  • L'homme du métier paramétrera le temps de fonctionnement de la pompe 84 pour déterminer son arrêt après la réintroduction de la totalité de l'eau du réservoir dans le circuit 10. Il pourra alternativement placer un moyen de détection dans le réservoir, comme un flotteur, qui commandera l'interruption de l'entrainement de la pompe 84 lorsque ce flotteur ne détectera aucune présence d'eau dans le réservoir.
  • Dans le cadre de la figure 1, il peut être prévu de supprimer la conduite vidange 72 et sa vanne 76 et de n'utiliser que la conduite 78 avec sa vanne 82 et sa pompe 84 en tant que conduite de vidange et de remplissage avec la particularité que la pompe 84 est une pompe bidirectionnelle.
  • Dans ce cas, lors de l'arrêt du fonctionnement du circuit, la vanne 86 est placée dans une position de fermeture de la conduite 42 et la vanne 82 est en position d'ouverture de la conduite 42. Le compresseur 12 et la pompe 84 sont actionnés dans un même sens de rotation pour introduire l'eau du circuit dans la conduite 78 puis dans le fond du réservoir 52 selon les flèches V'.
  • Lors du redémarrage de ce circuit, la vanne 82 reste en position d'ouverture de la conduite 78 et la vanne 86 bascule en une position de pleine ouverture de la conduite de circulation 42.
  • Le compresseur est actionné dans le même sens que pour la vidange et la pompe est commandée dans un sens inverse à celui de la vidange de manière à extraire l'eau contenue dans le réservoir pour la faire circuler dans la conduite 78 selon les flèches R, comme précédemment mentionné.
  • La variante de la figure 2 se différencie de l'exemple de la figure 1 par un positionnement spécifique du réservoir 52 et par la suppression de la pompe de circulation sur la conduite de remplissage 78.
  • Comme visible sur cette figure 2, le réservoir est positionné par rapport au circuit 10 d'une façon telle que le point de liaison 88 de la conduite de remplissage 78 avec le réservoir, placé ici dans le fond de ce réservoir, est situé au dessus du point de jonction 80 de cette conduite avec la conduite de circulation 42.
  • Pour cette variante, le fonctionnement du circuit est semblable à celui de la figure 1 avec les fermetures des vannes 76 et 82, l'ouverture de la vanne 86 et une circulation de l'eau selon les flèches C sous l'action du compresseur 12.
  • L'étape de vidange de l'eau dans le réservoir 52 pour l'arrêt du fonctionnement du circuit est également identique à celle de la figure 1 avec les fermetures des vannes 82 et 86, l'ouverture de la vanne 76 et une mise en action du compresseur 12 pour obtenir une circulation de l'eau selon les flèches V.
  • Pour l'étape de remplissage du circuit, la vanne 76 est en position de fermeture de la conduite 72, les vannes 82, 86 sont en position d'ouverture des conduites 78 et 42 et le compresseur 12 est actionné.
  • De par la gravité, l'eau contenue dans le réservoir s'écoule au travers du point de liaison 88 et circule dans la conduite de remplissage 78 puis dans la conduite de circulation 42 selon les flèches R.
  • Bien entendu et cela sans sortir du cadre de l'invention, il peut être envisagé de procéder, après l'arrêt du fonctionnement du circuit, à sa vidange que si la température ambiante est susceptible d'entrainer le gel de l'eau contenu dans le circuit, notamment lorsqu'elle est inférieure à sa température de congélation.
  • Pour cela, il peut être utilisé un capteur de température dédié à cette mesure ou le capteur qui est associé au système de chauffage 66.

Claims (19)

  1. Dispositif de contrôle du fluide de travail à bas point de congélation circulant dans un circuit fermé (10) fonctionnant selon un cycle de Rankine, ledit circuit comprenant une pompe de compression (12) du fluide sous forme liquide, un échangeur de chaleur (18) balayé par une source chaude (24) pour l'évaporation dudit fluide, des moyens de détente (30) du fluide sous forme vapeur, et un échangeur de refroidissement (36) balayé par une source froide (F) pour la condensation du fluide de travail, caractérisé en ce qu'il comprend un réservoir (52) de réception du fluide pour la vidange dudit circuit.
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réservoir est un réservoir calorifugé (54).
  3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réservoir est un réservoir expansible (60).
  4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réservoir comprend une contenance plus grande que le volume du fluide contenu dans le circuit.
  5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le réservoir (52) comporte un système de chauffage (66) pour le fluide qui y est contenu.
  6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une conduite (72, 78) pour relier le circuit (10) audit réservoir.
  7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend une conduite (72) pour la vidange du fluide du circuit (10) dans le réservoir et une conduite (78) pour le remplissage du circuit (10) par le fluide dudit réservoir.
  8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que la conduite (72, 78) comprend une vanne (76, 82).
  9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'au moins une des conduites (72, 78) comprend une pompe de circulation de fluide (84).
  10. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'au moins une des conduites (72, 78) est reliée en un point (74, 80) d'une conduite de circulation (42) entre la pompe de compression (12) et l'échangeur de chaleur (18) pour l'évaporation dudit fluide.
  11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la conduite de circulation (42) porte une vanne (86) placée entre ledit point et l'échangeur de chaleur (18) pour l'évaporation dudit fluide.
  12. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide est de l'eau dépourvue d'additif antigel.
  13. Dispositif de contrôle selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source chaude (24) provient des gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne (28).
  14. Procédé de contrôle d'un fluide de travail à bas point de congélation circulant dans un circuit fermé (10) fonctionnant selon un cycle de Rankine, ledit circuit comprenant une pompe de compression (12) du fluide sous forme liquide, un échangeur de chaleur (18) balayé par une source chaude (24) pour l'évaporation dudit fluide, des moyens de détente (30) du fluide sous forme vapeur, et un échangeur de refroidissement (36) balayé par une source froide (F) pour la condensation du fluide de travail, caractérisé en ce qu'il consiste, lors de l'arrêt du fonctionnement du circuit, à transférer au moins une partie du fluide contenu dans ledit circuit vers un réservoir (52).
  15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il consiste à transférer le fluide vers le réservoir, lors de l'arrêt du fonctionnement du circuit, lorsque la température ambiante est inferieure à la température de congélation du fluide.
  16. Procédé selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce qu'il consiste à transférer le fluide contenu dans le réservoir vers le circuit (10) lors de la mise en fonctionnement du circuit.
  17. Procédé selon l'une des revendications 14 à 16, caractérisé en ce qu'il consiste à faire circuler le fluide dans une conduite (72) reliant le circuit (10) au réservoir (52) sous l'action de la pompe de compression (12).
  18. Procédé selon l'une des revendications 14 à 16, caractérisé en ce qu'il consiste à faire circuler le fluide dans une conduite (78) reliant le circuit (10) au réservoir (52) sous l'action d'une pompe de circulation (84) portée par ladite conduite.
  19. Procédé selon l'une des revendications 14 à 17, caractérisé en ce qu'il consiste à transférer par gravité le fluide contenu dans le réservoir vers le circuit (10) lors de la mise en fonctionnement du circuit.
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