FR3004487A1 - Procede de controle du fonctionnement d'un circuit ferme fonctionnant selon un cycle de rankine et circuit utilisant un tel procede. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un procédé de contrôle de la circulation d'un fluide de travail dans un circuit fermé (10) fonctionnant selon un cycle de Rankine, ledit circuit comprenant une pompe (12), un évaporateur (14) balayé par une source chaude provenant de la ligne d'échappement (16) d'un moteur à combustion interne (18), une machine de détente (20), un condenseur (22), et un arbre d'entraînement (32) reliant la pompe et la machine de détente et portant une machine de transformation d'énergie (34). Selon l'invention, le procédé consiste : - à déterminer la pression et/ou la température du fluide de travail dans le circuit, - en cas de pression et/ou de température inférieure à un seuil, à réaliser une phase d'amorçage de la circulation du fluide en désolidarisant la liaison par l'arbre d'entrainement (32) entre la machine de détente (20) et la pompe (12) et en commandant en rotation la machine de transformation (34) de manière à ce qu'elle entraîne la pompe (12) pour la circulation du fluide, - à faire circuler le fluide de travail dans le circuit jusqu'à ce qu'il atteigne la valeur seuil de température et/ou de pression.

Description

La présente invention se rapporte à un procédé de contrôle du fonctionnement d'un circuit fermé fonctionnant selon un cycle de Rankine ainsi qu'à un circuit utilisant un tel procédé.

Comme cela est connu, le cycle de Rankine est un cycle thermodynamique à circuit fermé qui se décompose généralement en une étape durant laquelle le fluide de travail utilisé sous forme liquide, est comprimé de manière isentropique, suivie d'une étape où ce fluide liquide comprimé est chauffé et vaporisé au contact d'une source de chaleur.

Cette vapeur 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 de circulation/compression pour faire circuler et comprimer le fluide sous forme liquide, un évaporateur qui est balayé par un fluide chaud, généralement l'énergie calorifique véhiculée par les gaz d'échappement d'un moteur à combustion interne, pour réaliser la vaporisation du fluide comprimé, une machine de détente pour détendre la vapeur, telle qu'une turbine, une machine de transformation volumétrique qui transforme l'énergie de cette vapeur en une autre énergie, comme une énergie mécanique ou électrique, et un 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 un fluide sous forme liquide. Ceci permet d'améliorer l'efficacité énergétique d'un moteur à combustion interne 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, notamment pour participer à sa propulsion ou à ses besoins électriques. Comme cela est mieux décrit dans le document US 7 249 459, la fonction de pompage/compression, de détente, et de transformation de l'énergie en une autre énergie, ici une énergie électrique, sont regroupées en un ensemble dans le but d'améliorer la compacité du système et son efficacité énergétique. Pour ce faire, une liaison mécanique, comme un arbre d'entraînement, relie la machine de détente, la pompe de circulation/compression et la machine de transformation de l'énergie, ici à titre d'exemple une machine électrique réversible qui a ainsi une application en tant que moteur électrique d'entraînement ou en tant que génératrice de courant. Dans ces conditions, l'énergie mécanique utile de la machine de détente est inférieure à l'énergie totale qu'elle fournit par la détente du fluide puisqu'une partie de l'énergie est prélevée pour le pompage du fluide au travers de l'arbre. Ainsi, pendant le fonctionnement du circuit, aucune source électrique n'est nécessaire pour le pompage. Le rendement énergétique global du cycle ainsi que sa compacité en sont ainsi améliorés.

Cette configuration bien que donnant satisfaction présente néanmoins des inconvénients non négligeables. En effet, généralement pendant la phase de démarrage à froid il est nécessaire d'amorcer la circulation du fluide de travail dans le circuit pour assurer la montée en température de ce fluide avant de pouvoir le détendre par la machine de détente. Pendant cette phase d'amorçage, la pompe doit fonctionner sans que la machine de détente ne soit en mesure de produire de travail mécanique. Pour cela et comme mieux mentionné dans le document ci-dessus, la machine électrique est alimentée par une source de courant extérieure de façon à la faire fonctionner en tant que moteur électrique d'entraînement pour faire fonctionner la pompe de circulation/compression. Etant donné que l'arbre d'entraînement constitue une partie du rotor de la machine électrique et que cette arbre est relié à la pompe de circulation/compression et à la machine de détente, la puissance demandée à ce moteur doit être importante pour entraîner à la fois la pompe et la machine de détente. Ceci nécessite une machine électrique de grande taille et de grande puissance pour un usage limité uniquement à l'opération d'amorçage de la circulation du fluide dans le circuit, ce qui ne peut que pénaliser le coût du circuit. De plus, la machine de détente crée un couple résistant pour l'entraînement de la pompe, ce qui ne peut que ralentir la circulation du fluide dans le circuit et ralentir fortement sa montée en température. Par cela, le circuit est opérationnel qu'après un délai très long en pénalisant ainsi ses performances globales. La présente invention se propose de remédier aux inconvénients ci-10 dessus grâce à un procédé qui permet de rendre opérationnel à courte échéance le circuit sans nécessiter des modifications sur les éléments du circuit. A cet effet, la présente invention concerne un procédé de contrôle de la 15 circulation d'un fluide de travail dans un circuit fermé fonctionnant selon un cycle de Rankine, ledit circuit comprenant une pompe de circulation/compression d'un fluide de travail sous forme liquide, un évaporateur pour l'évaporation dudit fluide, l'évaporateur étant balayé par une source chaude provenant de la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, 20 notamment pour un véhicule automobile, une machine de détente du fluide sous forme vapeur, un condenseur balayé par un fluide de refroidissement pour la condensation de ce fluide, et un arbre d'entraînement reliant la pompe et la machine de détente et portant une machine de transformation d'énergie, caractérisé en ce qu'il consiste : 25 - à déterminer la pression et/ou la température du fluide de travail dans le circuit, - en cas de pression et/ou de température inférieure à un seuil, à réaliser une phase d'amorçage de la circulation du fluide de travail dans le circuit en désolidarisant la liaison par l'arbre d'entrainement entre la machine de détente 30 et la pompe et en commandant en rotation la machine de transformation de manière à ce qu'elle entraîne la pompe pour la circulation du fluide, - à faire circuler le fluide de travail dans le circuit jusqu'à ce qu'il atteigne la valeur seuil de température et/ou de pression.

Le procédé peut consister, dés que la valeur seuil de température et/ou de pression est atteinte, à solidariser la liaison entre la pompe et la machine de détente et à interrompre la commande en rotation de la machine de transformation. Le procédé peut consister à utiliser une machine électrique en tant que machine de transformation pour qu'elle fonctionne en tant que moteur électrique ou en tant que génératrice électrique.

L'invention concerne également un circuit fermé fonctionnant selon un cycle de Rankine comprenant une pompe de circulation/compression d'un fluide de travail sous forme liquide, un évaporateur pour l'évaporation dudit fluide, l'évaporateur étant balayé par une source chaude provenant de la ligne d'échappement d'un moteur à combustion interne, notamment pour un véhicule automobile, une machine de détente du fluide sous forme vapeur, un condenseur balayé par un fluide de refroidissement pour la condensation de ce fluide, et un arbre d'entraînement reliant la pompe et la machine de détente et portant une machine de transformation d'énergie, caractérisé en ce que l'arbre d'entraînement comporte deux parties d'arbre et un accouplement débrayable pour la liaison des deux parties entre elles. L'une des parties de l'arbre peut être reliée à la machine de détente.

La partie de l'arbre reliée à la machine de détente peut porter un dispositif de démultiplication de vitesse. L'autre des parties de l'arbre peut être reliée à la pompe et à la machine de transformation.

La pompe de circulation/ compression peut être une pompe doseuse. La pompe doseuse peut être une pompe doseuse à piston.

La machine de détente peut être une machine réceptrice à plateau oscillant. La machine de transformation est une machine électrique.

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 annexés : - la figure 1 qui illustre un circuit fermé fonctionnant selon un cycle de Rankine de l'art antérieur ; - la figure 2 qui montre un groupe d'éléments selon l'invention pour un circuit fermé à cycle de Rankine et - la figure 3 qui illustre schématiquement un exemple de réalisation de la figure 2.

Sur la figure 1, le circuit fermé à cycle de Rankine 10 comprend une pompe de circulation/compression 12 d'un fluide de travail, ici de l'eau, circulant dans ce circuit selon un sens horaire (Flèches A). Cette pompe permet de comprimer cette eau entre l'entrée de la pompe et sa sortie où cette eau, toujours sous forme liquide, est à pression élevée. Ce circuit comporte également un évaporateur 14, traversé par l'eau comprimé provenant de la pompe et qui ressort de cet évaporateur sous forme de vapeur comprimée. Cet évaporateur est balayé par une source chaude (Flèches B) provenant 25 des gaz d'échappement circulant dans la ligne d'échappement 16 d'un moteur à combustion interne 18, notamment d'un véhicule automobile. Ce circuit comporte encore une machine de détente réceptrice 20, telle qu'une turbine de détente, recevant à son admission le fluide de travail sous forme vapeur comprimé à haute pression, ici de la vapeur d'eau et à partir de 30 laquelle la vapeur d'eau ressort de cette turbine sous forme de vapeur détendue à basse pression. Enfin, le circuit comporte un condenseur 22 qui permet de transformer la vapeur basse pression détendue qui provient de la turbine en une eau sous forme liquide après son passage au travers de ce condenseur.

A titre d'exemple, ce condenseur est balayé par un fluide de refroidissement (Flèches C) qui traverse le condenseur et sa face de sortie en refroidissant et en condensant la vapeur détendue qui le parcoure. Ce fluide de refroidissement est ici de l'air extérieur à température ambiante, mais tout autre fluide de refroidissement, comme de l'eau, peut être utilisé pour assurer la condensation de la vapeur. Bien évidement, les différents éléments du circuit sont reliés entre eux par des conduites de circulation de fluide 24, 26, 28, 30 permettant de relier successivement la pompe avec l'évaporateur (conduite 24), l'évaporateur avec la turbine (conduite 26), la turbine avec le condenseur (conduite 28) et le condenseur avec la pompe (conduite 30) pour que le fluide de travail, sous forme liquide ou sous forme vapeur, circule selon le sens indiqué par les flèches A.

Comme mieux visible sur la figure 1, le rotor de la pompe et de la turbine sont reliés entre eux par une liaison mécanique coaxiale, comme un arbre d'entraînement 32. Cet arbre est également relié coaxialement au rotor d'une machine de transformation volumétrique 34 qui transforme l'énergie du fluide de travail sous forme vapeur en une autre énergie. Avantageusement, cette machine de transformation est une machine électrique réversible 34 qui peut fonctionner en tant que moteur électrique d'entraînement ou en tant que génératrice électrique.

Sur l'exemple de la figure 1, la machine électrique est placée, à titre d'exemple, à gauche de la pompe 12 (en considérant cette figure) mais elle peut être placée sur l'arbre 32 entre la pompe et la turbine 20, comme cela est illustré en pointillé sur cette figure.

Comme cela est largement connu, ce circuit est relié à un système de contrôle/commande 36 permettant d'assurer sa gestion. Notamment, ce système reçoit des informations à partir de différents capteurs prévus dans ce circuit, comme la pression ou la température de l'eau (ou de la vapeur d'eau) à différents endroits du circuit.

A partir des informations reçues, le système 36 commande des éléments du circuit pour l'obtention de la plage de fonctionnement souhaitée. Ce système de contrôle/commande agit notamment sur la pompe 12, sur la turbine 20, sur la machine électrique 34,...

On se réfère maintenant à la figure 2 qui montre l'ensemble pompeturbine-machine électrique selon l'invention. Sur cette figure, la liaison mécanique entre la pompe 12 et la turbine 14 est une liaison interruptive qui permet de solidariser ou de désolidariser la partie 32a de l'arbre 32 qui est solidaire du rotor de la turbine avec la partie 32b de l'arbre qui est solidaire du rotor de la pompe et du rotor de la machine électrique. Plus précisément, l'arbre 32 porte un accouplement débrayable 38, comme un embrayage à plateaux de friction. L'un des plateaux 38a est solidaire de la partie 32a de l'arbre 32 alors que l'autre des plateaux 38b est solidaire de la partie 32b. Le contrôle de cet embrayage peut se réaliser par tous les dispositifs à la portée de l'homme du métier, tel qu'un actuateur hydraulique ou électrique 40 commandé par le système de contrôle/commande 36.

Bien entendu tout autre type d'accouplement débrayable peut être utilisé comme un embrayage multidisque ou un embrayage électromagnétique. Il est à noter que dans la configuration où la machine électrique est placée entre la pompe et la turbine (comme illustré en traits pointillés sur la figure 2), l'embrayage 38 sera alors positionné entre la turbine et la machine électrique. De même, il peut être envisagé de disposer sur l'arbre 32 un dispositif de démultiplication de vitesse de rotation 42 (illustré en traits pointillés) entre la pompe et la turbine en permettant d'augmenter la vitesse de rotation de la pompe à partir de la vitesse de rotation de la turbine. Dans ce cas, l'embrayage 38 est placé entre le dispositif de démultiplication et la pompe ou entre le dispositif de démultiplication et la machine électrique dans le cas ou celle-ci est placée entre le dispositif de démultiplication et la pompe 12.

Ainsi, notamment lors du démarrage à froid du circuit 10, le système 36 reçoit généralement comme information une insuffisance de pression et/ou de température du fluide de travail pour permettre le fonctionnement de la turbine.

Une phase d'amorçage de la circulation du fluide dans le circuit est alors lancée pour assurer la montée en température et/ou pression de ce fluide avant de pouvoir le détendre par la machine de détente. Pour cette phase, le système commande l'actuateur 40 de l'embrayage 38 pour écarter les plateaux 38a et 38b l'un de l'autre en désolidarisant ainsi la partie 32a de l'arbre 32 avec sa partie 32b. Conjointement, le système commande l'alimentation électrique de la machine, comme par des batteries (non représentées). Cette machine fonctionne alors en tant que moteur électrique et entraîne alors en rotation, au travers de la partie 32b de l'arbre 32, uniquement le rotor de la pompe de circulation/compression 12. Compte tenu de la désolidarisation des deux parties 32a et 32b de l'arbre 32, le rotor de la turbine 20 n'est pas entraîné, ce qui ne génère aucun couple résistant pour la rotation du rotor de la pompe et ce qui ne peut que favoriser l'accélération de la montée en température du fluide de travail. Sous l'action de la pompe, le fluide circule dans le circuit selon les flèches A en se chauffant dans l'évaporateur 14 par échange calorifique avec les gaz d'échappement, puis traverse la turbine 20 sans entraîner en rotation son rotor, arrive au condenseur 22 et aboutit à la pompe pour effectuer une nouvelle boucle de circulation. Dés que le système 36 reçoit comme information que la température et/ou la pression du fluide de travail est suffisante pour entraîner le rotor de la turbine, généralement une température de l'ordre de 250 °C et une pression de l'ordre de 10 bar, il passe en mode de fonctionnement conventionnel.

Pour arriver à ce mode, le système commande l'actuateur 40 pour rendre opérationnel l'embrayage 38. Ceci a pour effet de solidariser les deux parties 32a et 32b de l'arbre 32 et d'assurer une liaison mécanique entre le rotor de la pompe et le rotor de la turbine.

Simultanément, le système commande l'arrêt de l'alimentation électrique de la machine électrique 34 qui cesse alors d'avoir une fonction de moteur électrique. Dans cette configuration, le rotor de la turbine 20 entraîne au travers de des parties 32a et 32b de l'arbre 32, directement ou par l'intermédiaire du dispositif de démultiplication de vitesse 42, la rotation du rotor de la pompe 12 pour assurer la circulation du fluide ainsi que du rotor de la machine électrique 34 qui agit alors en tant que génératrice de courant pour alimenter les batteries électriques du véhicule et/ou les accessoires électriques liés à ce véhicule.

Par cela, le circuit fermé est plus rapidement opérationnel sans nécessiter de grandes modifications de l'ensemble pompe-turbine-machine électrique. Dans l'exemple de réalisation de la figure 3, l'ensemble pompe-turbine- machine électrique est logé dans un carter fermé 44. Ce carter loge la machine électrique 34, la pompe 12 qui est une pompe doseuse à pistons reliée aux conduites 24 et 30, et la machine de détente 20 sous la forme d'une machine réceptrice à plateau oscillant avec ses conduites 26 et 28. Le rotor 46 de la machine électrique, le rotor 48 de la de la pompe doseuse et le plateau oscillant 50 de la machine à plateau sont reliés entre eux par l'arbre 32. Comme précédemment mentionné, cet arbre porte un accouplement débrayable 38 séparant cet arbre 32 en une partie 32a et en une partie 32b.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS1) Procédé de contrôle de la circulation d'un fluide de travail dans un circuit fermé (10) fonctionnant selon un cycle de Rankine, ledit circuit 5 comprenant une pompe de circulation/compression (12) d'un fluide de travail sous forme liquide, un évaporateur (14) pour l'évaporation dudit fluide, l'évaporateur étant balayé par une source chaude provenant de la ligne d'échappement (16) d'un moteur à combustion interne (18), notamment pour un véhicule automobile, une machine de détente (20) du fluide sous forme vapeur, 10 un condenseur (22) balayé par un fluide de refroidissement pour la condensation de ce fluide, et un arbre d'entraînement (32) reliant la pompe et la machine de détente et portant une machine de transformation d'énergie (34), caractérisé en ce qu'il consiste : - à déterminer la pression et/ou la température du fluide de travail dans le 15 circuit, - en cas de pression et/ou de température inférieure à un seuil, à réaliser une phase d'amorçage de la circulation du fluide de travail dans le circuit en désolidarisant la liaison par l'arbre d'entrainement (32) entre la machine de détente (20) et la pompe (12) et en commandant en rotation la machine de 20 transformation (34) de manière à ce qu'elle entraîne la pompe (12) pour la circulation du fluide, - à faire circuler le fluide de travail dans le circuit jusqu'à ce qu'il atteigne la valeur seuil de température et/ou de pression. 25
2. 2) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste, dés que la valeur seuil de température et/ou de pression est atteinte, à solidariser la liaison entre la pompe (12) et la machine de détente (20) et à interrompre la commande en rotation de la machine de transformation (34). 30
3. 3) Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser une machine électrique en tant que machine de transformation (34) pour qu'elle fonctionne en tant que moteur électrique ou en tant que génératrice électrique. 3 0044 8 7 11
4. 4) Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser un arbre d'entraînement (32) en deux parties d'arbre (32a, 32b) reliées par un accouplement débrayable (38).
5. 5) Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste à relier l'une (32a) des parties de l'arbre (32) à la machine de détente (20).
6. 6) Procédé selon l'une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce qu'il consiste à faire porter un dispositif de démultiplication de vitesse (42) par la partie (32a) de l'arbre (32) reliée à la machine de détente (20).
7. 7) Procédé selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il consiste à relier la pompe (12) et la machine de transformation (34) à l'autre (32b) des parties de l'arbre (32).
8. 8) Procédé selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser une pompe doseuse en tant que pompe de circulation/ compression.
9. 9) Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser une pompe doseuse à piston.
10. 10) Procédé selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce qu'il consiste à utiliser une machine réceptrice à plateau oscillant en tant que 25 machine de détente.