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"Procédé opératoire pour installations de turbines à gaz
Les gaz de combustion qui sortent de l'étage à haute pres- sion conçu sous forme'de turbine à explosion, d'une turbine à gaz à plusieurs étages pour venir balayer en continu la turbine à pression moyenne, ont encore toujours des tempéra- tures de 700 à 1 000 C. Les gaz de combustion qui sortent de la chambre de combustion à haute pression d'une tubine à gaz, à pression constante .tenant balayer le système de roues, ont des températures aussi élevées ou même encore plus élevées, surtout dans le cas où ce système est conçu sous forme de tur- bine d'action ou à réaction à plusieurs étages, en vue d'at- teindre un effet thermodynamique aussi élevé que possible.
D' , une façon générale, il n'est pas possible, et en tout cas il n'est pas possible avec les matériaux de construction dont on dispose à l'heure actuelle, d'alimenter une turbine de l'es- pèce, en courant continu, avec des gaz à température si éle- vée. On peut, il est vrai, en,balayant simultanément et
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séparément les roues avec 1 de la vapeur d'eau.,.permettre la marche, mais ce procédé offre certaines difficultés d'ordre constructif et d'ordre fonctionnel que l'on peut éviter en réalisant l'échange thermique entre les gaz de combustion et la vapeur ou un deuxième milieu moteur gazeux, non pas dans le système des roues par l'intermédiaire de l'aubage,
mais bien dès avant l'entrée de la vapeur et des gaz de combustion dans l'aubage; et de cette manière , on refroidit le gaz de combustion suffisamment, pour que sa température soit suffi- samment basse dès avant entrée dans le premier étage, pour permettre une marche continue. Toutefois quand le procédé de l'espèce n'est pas réalisé avec exactitude, on court le dan- ger que par suite d'un tel échange thermique avant l'effet utile, échange thermique au cours duquel le gaz de combustion subit une importante chute de température, p. ex. de 1000 à 450 C, l'effet utile des deux milieux moteurs en action soit tellement affaibli que l'avantage que présente le procédé au point de vue fonctionnel est réduit à néant par suite de trop grandes pertes dans la récupération du travail.
L'inven- tion repose sur ce fait que l'on peut déclencher un échange thermique de l'espèce dans certaines conditions, sans qu'il ne se produise de nuisance thermodynamique par suite de l'en- lèvement de chaleur aux gaz de combustion. Elle repose sur la notification de ces conditions comme d'une règle nécessaire pour établir un échange thermique favorable. La règle consiste en ceci p ex. qu'en cas d'emploi de vapeur comme deuxième milieu moteur, l'échange thermique (sans mélange réciproque) se produit à la même teuton du gaz de combustion et de la va- peur ou à une tension plus élevée de la vapeur, ainsi qu'il résulte de ce qui suit.
Quand deux corps gazeux ou à l'état de vapeur différents I et II de poids GI et GII, ont la même tension initiale pI et des températures initiales différentes tI et tII, ils dis- posent entre leur tension initiale pI et la tension finale
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(également aussi élevée) ou contre pression pII (p.ex.la pression atmosphérique) de puissances effectives ou chutes de températures de grandeurs différentes, ainsi que celles- ci sont représentées par les surfaces LI et III des fig.1 et 2, en admettant que chacun de ces corps travaille indé- pendamment de l'autre, p.ex.I dans une turbine à vapeur et II dans une turbine à gaz.
Mais si l'on fait passer le gaz de combustion II et la vapeur I avant leur entrée dans les canaux d'admission des deux turbines, par un échangeur de température, sans mélange, de telle manière que le gaz de combustion plus chaud II cède une partie de sa, chaleur à, la vapeur d'eau I plus froide, et partant, de manière à se présenter avec la température t'II plus petite devant le dispositif conduc- teur de la turbine à gaz de combustion, tandis que la va- peur s'échauffe et arrive devant la turbine à vapeur avec la température plus élevée t'I; la puissance effective du gaz de combustion aura décru par suite de cet échange ther- mique d'un montant # LII tandis que celle de la vapeur aura augmenté d'un montant de # LI.
Si, à présent, #LI est égal à ou plus grand que # LII la puissance ef- fective totale des deux milieux ne sera pas modifiée dans l'ensemble par l'échange thermique ou même mieux, elle aura augmenté.
Suivant la nature des corps en travail le montant dont varie la somme des valeurs LI et LII, et est à dire la dif- férence # LI- # LII est différemment grand. Le cal- oul thermodynamique donne à ce sujet : lr.Cas. Les deux corps actifs sont à l'état gazeux et suivant la loi générale des gaz p v R T Dans ce cas, l'augmentation de volume # VI que subit le gaz le plus froid I par suite de l'échange thermique est égale à la diminution de volume # VII que subit le gaz
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le plus chaud par suite du refroidissement, donc
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ceci toutefois uniquement pour le cas où les deux gaz,
dans les limites de températures envisagées tI et t'I ou tII et t'Il ont une chaleur spécifique moléculaire de même grandeur CPI et CPII ou encore des chaleurs spécifiques égales CPI et CPII' rapportées à l'unité de masse lm3 à 0 et 760 m/m. Dans ce cas, donc, on a, ainsi qu'on peut le démontrer facilement
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c'est à dire que l'augmentation de la puissance effective du corps le plus froid du fait d'absorption de chaleur est égale à la diminution de la puissance effective du corps le plus chaud du fait de cession de chaleur. Il en résulte que par échange thermique, la somme des puissances effecti- ves de ces corps, p. ex. quand les deux corps sont des gaz bivalents et ne différent pas par trop en ce qui concerne leurs températures limites, ne se modifie pas.
Mais si les chaleurs spécifiques CPI et CPII iront dif- férentes, p.ex. si II est un gaz bivalent, I de la vapeur d'eau surchauffée ou de l'anhydride carbonique ou un gaz de combustion quelconque, on a alors
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par conséquent e II PIT A VI = A Vil Cpj
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Si dans ce cas p.ex.0pii ) cpj on aura aussi A VI > Zl VII'
L'augmentation de volume du corps le plus froid I est donc plus grande que la diminution de volume du corps le plus chaud II, d'où il résulte aussi que
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Dans ce cas, la puissance effective totale serait donc
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plus grande après échange thermique qu'avant celui-ci.
2me cas.- L'un des corps I (le plus froid) est constitué par de la vapeur d'eau saturée ou modérément surchauffée, 1' autre corps, II, (le plus chaud) est formé par un gaz de com- bustion quelconque. La vapeur d'eau dont question plus haut ne suit pas la loi des gaz et sa chaleur spécifique varie à pression constante, avec la température. Le gaz de combus- tion observe, il est vrai, la loi des gaz, mais sa chaleur spécifique diminue avec la température. Dans ce cas, la con- sultation des tables calorifiques de la vapeur et des gaz de canbustion permet d'opérer le calcul en fournissant le moyen de connaître de façon connue les puissances effectives LI' L'I' LII et L'II.
L'examen spécial montre que suivant la tension de la vapeur et la température de la vapeur et des gaz de combus- tion, la somme des puissances effectives peut être, après échange thermique, plus grande, ne pas varier ou encore être plus petite. C'est ainsi par exemple que pour le cas de gaz d'huile combustible à 9000 qui par échange thermique avec de la vapeur saturée sèche de PI= 3 6 10 atm est refroidie à 450 , tandis que la vapeur est portée à 400 , la scmme des puissances effectives, calculée de PI à 1 at. abs. de contrepression, varie par l'échange thermique de + 0,5% 2,5%- 4,5% de sorte que pour des pressions assez élevées, il y aurait une légère diminution à. signaler.
Mais la situation est différente quand, conformément aux figures 5 et 6, on envisage d'utiliser la chute de pression de la vapeur non pas jusqu'à 1 at. comme pour le gaz de com- bustion, mais jusqu'à un vide atteignant, p.ex. 0,06 at.abs., ce qui est en fait le cas pour les turbines à vapeur.
On obtient alors dans les trois cas t + 13% + 5,2% + 1,4% c'est- à dire une augmentation plus ou moins importante de la
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puissance effective totale comme conséquence de l'échange ther- mique. Ceci se comprend facilement car la surfaceeffective supplémentaire + # LI se continue encore sous la pression atmosphérique.
Enfin, est encore possible le cas dans lequel la tension de la vapeur d'eau lors de l'échange thermique est plus élevée que celle du gaz de combustion; fig.7 et 8. L'examen montre que dans ce cas, ainsi qu'il faut s'y attendre, on réalise éga- lement un gain de puissance effective par échange thermique,car
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A Lei d evi ent A LI,.
La preuve de ce que quand on réalise le procédé conforme à l'invention,-la somme des puissances effectives des deux milieux entrant en échange thermique est maintenue,**est fournie aussi par le diagramme entropique des températures.
Dans la fig.9, les valeurs # LI et 3 LII sont repré-
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sentées par les surfaces AT BT Ci DI et Aii eii cii )il en se plaçant tout d'abord dans l'hypothèse où les deux corps qui échangent de la chaleur I et II ont des poids de même importan- ce (GI= GII ). Si, au contraire, ces poids sont différents,on peut imaginer les abscisses des deux courbes entropiques vala- bles pour le corps II, pour PI et P2, augmentées du rapport des poids GII/ GI= g (ou diminuées).
Pour une très petite par- tie dQ de la chaleur échangée Q, on a alors d QI= TI . dSI (pour le corps I, 1 kil)
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dQTT g Tu dsli (pour le corps II, g kg, cIQ1, et dSII pour 1 kg.) Ces deux quantités de chaleur doivent être égales
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dQy = g.dQIT , et TT d;Si = 9-eil dSII ou CISI 91 Tii (Equation 1)
II - TI pour des modifications simultanées de la puissance effective,
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on a d I = (TI *0 'I ' dSr et d ZII = g. (2ii - T"ii 1' II dans le cas où T"I et T" sont les températures finales attein-
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tes à la détente adiabatique de P1 à P2. on a
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En tenant compte de 1*expression ci-dessus pour dSI/ DSII il
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en âéoo-ola déo oul9 Tn 4 tJ.
LI Tu '1 ... !ftI :II 1 .r-## (équation d L TI !fIl'" T'II 1 T"II !f II si à présent les exposants des équations de la détente adiaba- tique sont KI et kII
PI. VI KI= constante et
PII . VII KII = constante sont d'égale grandeur, donc KI= KII,= k par conséquent
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ft Tu 1 II { ar les deux valeurs ( ' les deux valeurs( P.
Ti eii 8 Ozlt égales à: i Pl Il en résulte de l'équation 2: d # LI= d # LII.
Mais quand ces modifications élémentaires sont d'égale grandeur il en est de mime des variations de la grandeur finale, donc
LI= A LII.
Les exposants KI et KII sont d'égale grandeur quand les deux gaz I et II on%'les marnes chaleurs moléculaires, comme c'est le cas par exemple pour les divers gaz bivalents
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Mais si les ohaleurs moléculaires sont inégales, si
CPI CPII les exposants kI et KII sont également différents.
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Il vient alors,*,* vient k - 1 kII - 1 ka 711 ""1 P2 et '"II ¯ P 2 Ti W 11 1 ¯J':'" 'f'
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et partant conformément à l'équation 2.
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Cette relation reste invariable pendant tout l'accomplissement au processus de l'échange thermique. Il en résulte par conséquent
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Si par exemple le corps II qui cède de la chaleur est un gaz de com- bustion chaud, où. KII-1,27 et le corps absorbant de chaleur est de
P2 1 l'air froid ou KI - 1,4 , on a par exemple pour P2 1 P1 10
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Ceci signifie que l'accroissement de puissance effective que prend l'air froid par suite d'absorption de chaleur est 25% plus élevé que la diminution de puissance effective que subit le gaz de com- bustion par suite de cession de chaleur,, L'équation 3 peut également, tout au moine avec approximation, être appliquée à l'échange thermique entre le gaz de combustion chaud et la vapeur d'eau surchauffée.
Avec KI= 1,3 (pour la vapeur d'eau) et KII= 1,27 (pour le gaz le combustion chaud), on a alors
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La différence est dans ce cas de 6,6% en faveur de la va- peur d'eau par l'intermédiaire de laquelle le gaz de combustion est refroidi.
Pour les cas où lion ne peut pas représenter exactement les modifications d'état adiabatique par p.v k = const. et l'équa- tion dtétat par Inéquation des gaz p.v. = ET, c'est à dire quand les chaleurs spécifiques varient avec la température seule, ou encore, dans le cas de vapeur d'eau surchauffée, avec la tem -pérature et la pression, on doit faire appel aux tables entro- piques température et températures -chaleur totale pour les gaz de combustion et également aux tables entropiques de la tem- pétature ou mieux entropiques chaleur totale (diagrammes de Mollier) de la vapeur d'eau.
Les valeurs données pages 5 et 6 de la description pour l'échange thermique entre la vapeur d' eau et le gaz de combustion, relatives à la modification de la puissance effective sont calulées à l'aide des tables relatives aux gaz de combustion et de la table I-S relative à la vapeur d'eau, contenues dans l'ouvrage de Schüle "Tecnisch Thermody- namik", t.II.- Elles se trouvent dans les limites des valeurs calculées ci-dessus sous 1.
Ce qui vient d'être exposé ici d'une faon générale s'ap- plique aussi en particulier aux exemples chiffrés donnés dans la description. C'est ainsi par exemple que les exemples introduits dans la description relativement à l'échange thermique.entre les gaz de combustion et la vapeur d'eau sont représentés à 1],échelle) dans les fig.10 et 11 en diagrammes entropiques simple tempéra- ture et entropique - chaleur totale et ce pour la masse de 1me à 0 et 760 m/m de gaz de combustion (avec la quantité d'air théorique). Il en est résulté pour le gaz de combustion à l'état )
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p 0 u:c Pl = 3 6 10 at Tii i ee 97,5 149 184 cal. par contre à l'état final de 450 C
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Lf1I 64 91 109,5 eal..
La quantité de chaleur cédée par le gaz de combustion est Q = 161 cal.
Pour la vapeur, on a pour
P1 = 3 6 10 at.(saturé à sec) la chaleur de surchauffe 122,5 107,5 101 cal/kg, la quantité de vapeur . 161 161 161
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(Gt) = ----- ----- ---- t 133,5 107,5 101 = 1,312 1,498 1,595 kg/cm2- gaz de combus- tion la chute de température à l'état initial
136,5 161 178,5 à l'état final (400 ) 190,5 213,5 230 cal/kg la puissance effective de GI kg
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L'I = 190,5 . 1,313 - = 250 320 $67 cal.
(à l'état final)
LI = 136,5 . 1,312
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= 179,5 Z41 285 aal.(à l'état initia) d'où Li + Iii, = a77 390 469 cal.(début) Lll + I'IT = 314 411 476,5 (fin) Lt, + T'tIT LI + L II = 1,13 1,052 1,014
Gain : 13% 5,2% 1,4% Les figures 1 et 2 montrent schématiquement à titre d'exemple la disposition générale de groupes de turbines à combustion interne pour réaliser le procédé conforme à l'invention.
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La référence 10 indique une chambre d'explosion, dans laquel- le on peut introduire de liait et du combustible par l'inter- -médiaire des soupapes 11 et 12. Les gaz enflammés s'échap- pent par la soupape à tuyère 17. Toutefois, avant d'arriver dans la turbine à gaz 21 par une tuyère, ils doivent traverser dans des tubes 16 un échangeur de température 15, tandis que d'autre part on fait arriver,autour des tuyaux ou tubes de la vapeur à une pression ad hoc que l'on introduit par la conduite 19, que l'on fait ensuite circuler dans l'espace 18 entourant les tubes 16, pour finalement après échange thermique la con- duire par le tuyau 22 dans la. turbine à vapeur 23.
Dans la fig.2 on a représenté la même disposition que celle de la fig.] avec cette différence que la vapeur et les gaz d'explosion sont utilisés dans une seule et même turbine 21 par l'intermé- diaire de systèmes d'ajutages séparés.
REVENDICATIONS
1. Procédé opératoire pour groupes de turbines à chmbus- tion interne, dans lesquelles les gaz de combustion avant de produire du travail, cèdent une partie de leurs calories à un milieu vapeur ou gazeux, qui est également utilisé pour pro- duire du travail, caractérisé par le fait que la tension du second gaz ou vapeur entrant en échange thermique est réglée de telle manière par rapport à la tension du gaz de combustion, que la diminution de la puissance effective des gaz de combus-! tion soit égale à ou plus petite que l'augmentation de la puissance effective du deuxième milieu.