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Installation thermique de force motrice.
Dans les cycles thermiques, dans lesquels un fluide gazeux de travail circule en circuit fermé, les pertes secondaires, telles que les pertes de température par suite d'un isolement insuf- fisant, les pertes de pression dans les machines, les appareils et les canalisations, ont une importance bien plus considérable que dans les installations de force motrice à vapeur, par exemple.
Toutes ces pertes peuvent rendre très difficile la réalisation économique d'installations thermiques de force motrice à fluides gazeux de travail, étant donné que le rendement est, dans un rapport très élevé, fonction de l'importance de ces pertes secondaires, dont on-ne tient que faiblement compte dans d'autres cas. Pour maintenir ces pertes secondaires à une valeur réduite, on est obligé de main- tenir à une valeur relativement faible les vitesses d'écoulement dans les canalisations et les appareils, ce qui conduit nécessairement à
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des dimensions indésirablement grandes de ces éléments. Ces disposi- tions exigent de grandes quantités de matière coûteuse, en particulier pour le transport de fluides moteurs chauffés à des températures éle- vées.
Ces phénomènes jouent un rôle capital, avant tout dans les in- etallations fonctionnant en circuit fermé, dans lesquelles le fluide moteur, par exemple l'air ou un autre gaz, travaille en surpression.
Lesdites pertes secondaires par frottement dans les canalisations et les appareils ont pour conséquence, entre autres, que le rapport des pressions le plus favorable dans lequel fonctionne une installa- tion de ce genre, ne peut varier que dans des limites relativement étroites. En soi et dans de nombreux cas, en vue de l'obtention d'une amélioration du rendement théorique du circuit fermé, il serait sou- haitble de s'écarter du rapport des pressions le plus économique. Mais à ce fait s'oppose le pourcentage de l'augmentation inadmissible des pertes de pression et de température.
Entre autres, un moyen pour l'augmentation du rendement thermique des installations thermiques de force motrice du genre in- diqué consiste à réchauffer graduellement le fluide de travail après une détente partielle dans dans la turbine. Ce réchauffage équivaut à rapprocher le cycle fermé réel, tel qu'il a lieu dans l'installation. du cycle idéal, c'est-à-dire du cycle fermé de Carnot. Mais c'est présisément le réchauffage du fluide moteur qui oppose fréquemment des difficultés, non seulement en ce ui concerne la construction, mais également sous le rapport du calcul car, jusqu'à présent, on n'a pu le réaliser qu'avec une augmentation importante des pertes de pression.
A ce sujet il y a lieu de rappeler que, même dans les installations de force motrice à vapeur, le surchauffage intermédiaire, c'est-à-dire une opération similaire à l'échauffage dans le circuit fermé des gaz, n'a jusqu'à présent été réalisé que rarement. La complication con- structive de ces installations, en particulier de la chaudière, et dans le cas d'installations à circuit gazeux fermé avec un apport de chaleur de l'extérieur dans l'échauffeur d'air, fait qu'on recule devant lesdites dispositions théoriquement souhaitables en soi, quoi- que le gain en rendement serait très important.
Par exemple, dans une installation thermique de force motrice aérodynamique avec turbine, compresseur, échauffeur d'air et échangeur de chaleur, installation construite d'après l'état actuel de la technique, c'est-à-dire écono- miquement, une double détente dans la turbine, avec échauffage inter- médiaire à la température initiale de 600-700oC, par exemple, ajoute au rendement thermique un gain de 4 - 5%, ce qui correspond à une économie de combustible de 10 - 20%.
En se rappelant combien on souhaite pour les installations à vapeur une amélioration dans la consommation
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de combustible, même n'atteignant que moins de 1%, l'exemple ci-dessus montre clairement l'opportunité d'une possibilité pratique pour la construction d'un échauffeur intermédiaire dans les installations de turbines à gaz.
Lorsque dans un circuit fermé le fluide moteur gazeux, par exemple l'air, doit être réchauffé après une détente partielle dans une turbine, le problème se pose de faire refluer dans une nouvelle partie de l'échauffeur d'air l'air d'échappement provenant de la pre- mière section de la turbine, et d'introduire dans une deuxième section de la turbine l'air réchauffé, sortant de l'échauffeur d'air. De plus, ces déplacements du fluide moteur doivent être effectués à des tempé- ratures élevées, de l'ordre de 500-700 C. Bien entendu, il en résulte de grosses pertes de chaleur si les canalisations sont trop grandes.
Pour éviter ces pertes, il est donc nécessaire d'employer de grandes quantités de matière isolante ou, si on veut réduire les dimensions constructives, on doit augmenter considérablement la vitesse d'écoule- ment dans les canalisations d'arrivée et de départ, ce qui conduit inévitablement à des pertes de pression tellement importantes que le gain thermique de l'échauffage intermédiaire serait pratiquement de nouveau perdu.
Or, le but de la présente invention est de réduire lesdites pertes nuisibles de température et de pression dans les installations thermiques de force motrice dans lesquelles la majeure partie d'un fluide gazeux de travail de préférence de l'air,parcourt un circuit fermé, la partie du fluide de travail en circulation, échauffé indirec- tement dans un échauffeur par un apport de chaleur venant de l'exté- rieur, étant détendue dans au moins deux turbines, dont l'une actionne un compresseur tandis que l'autre fournit de la puissance à l'extérieur, cette partie subissant au moins un échauffage intermédiaire.
D'autre part, le fluide de travail en circulation détendu est porté de nouveau à une pression plus élevée dans ledit compresseur et cède préalable- ment dans un échangeur de la chaleur à la partie comprimée du fluide de travail en circulation n'ayant encore recu aucun apport de chaleur de l'extérieur. Pour atteindre ce but suivant l'invention, seule la turbine fournissant de la puissance à l'extérieur est installée avec la machine actionnée par elle sur le carreau de la salle des machines, tandis que la turbine actionnant le compresseur, et ce dernier, sont disposés au moins au niveau de l'extrémité supérieure de l'échauffeur de fluide de travail.
Le dessin annexé à titre d'exemple montre schématiquement un mode de réalisation de l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une élévation de face d'une installation
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thermique de force motrice à air, à double détente et échauffage intermédiaire unique.
La fig. 2 est une coupe suivant la ligne II-II de la fig. 1.
Sur les figures du dessin, 1 désigne 1'µchauffeur dans lequel l'air reçoit indirectement un apport de chaleur venant de l'extérieur. Cet échauffeur 1 comporte deux carneaux 2 et 3, connec- tés en série par rapport au sens de circulation des gaz chauffants.
Dans le carneau 2 est disposé un groupe tubul aire A, composé de deux faisceaux, tandis que le carneau 3 contient également un groupe tubu- laire B composé de deux faisceaux. D'autre part 4 désigne la section à haute pression et 5 la section à basse pression d'une turbine à deux sections. La turbine à haute pression 4 tourne avec un nombre de tours supérieur à celui de la turbine à basse pression 5 et elle entraîne un compresseur 6 dans lequel l'air circulant en circuit fermé est de nouveau porté à une pression plus élevée après sa détente et après avoir cédé de la chaleur dans un échangeur de chaleur 7, disposé verti. calement à côté de l'échauffeur 1.
La turbine à basse pression 5 actionne un récepteur de puissance utile constitué par une généra- trice 8. 9 désigne un groupe servant à la mise en marche de l'in- stallation.
Cette disposition est prévue telle que seul le groupe de machines composé de la turbine à basse pression 5 et de la génératrice 8 repose sur le carreau de la salle des machines 21, tandis que la turbine à haute pression 4, ainsi que le compresseur 6 actionné par elle, se trouvent installés au-dessus de l'échauffeur d'air proprement dit 1, et ce sur un châssis 22,23, 24,25 faisant partie de cet échauffeur.
Le courant du fluide de travail sortant du compresseur 6 pénètre par une canalisation 20 dans le système tubulaire 10 de l'échangeur de chaleur 7 et, en traversant ce système tubulaire, il reçoit de la chaleur du courant de fluide de travail détendu, allant au compresseur 6 et traversant également l'échangeur de chaleur 7.
En sortant du système tubulaire 10, ledit courant de fluide de travail passe par une canalisation 11 dans le groupe tubulaire B dans lequel il est porté à la température exigée à l'entrée de la turbine à haute pression 4, et ce par un apport de chaleur indirect venant de l'exté- rieur. La canalisation de liaison entre un collecteur 12, prévu à l'extrémité supérieure du groupe tubulaire B, et la turbine à haute pression 4 est indiquée en 13. Le courant de fluide de travail détendu dans cette turbine arrive par une canalisation 15 dans un distributeur 16 prévu à l'extrémité supérieure du groupe tubulaire A, et il subit
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un échauffage intermédiaire dans ce groupe tubulaire A..
Par une cana- lisation 17, le courant de fluide de travail ayant subi un échauffage intermédiaire arrive dans la turbine à basse pression 5 et, après détente dans cette turbine, le fluide passe par une canalisation 18 dans l'échangeur de chaleur 7, où il cède de la chaleur au courant de fluide de travail traversant le système tubulaire 10, pour passer finalement de l'échangeur de chaleur 7 par la canalisation 19 dans le compresseur 6, dont la sortie est raccordée au système tubulaire 10 par la canali- sation 20 déjà indiquée..
Dans l'installation thermique de force motrice décrite, la disposition peut être prévue de telle manière que les canalisations 13 et 15, raccordées à la turbine à haute pression 4, ainsi que les canalisations 17 et 18, raccordées à la turbine à basse pression 5, soient relativement courtes, ceci parce que, d'une part, le point de sortie du courant d'air dans le groupe tubulaire B et le point où l'air sortant de la turbine 4 arrive dans le groupe tubulaire B, se trouvent aussi rapprochés que possible respectivement de l'entrée et de la sortie de la turbine à haute pression 4 et, d'autre part, parce que le point de sortie du groupe tubulaire A du courant d'air intermédiaire- ment échauffé se trouve rapproché de l'entrée de la turbine à basse pression 5.
Grâce au fait que l'échangeur de chaleur 7 est placé debout à côté de l'échauffeur 1 et que le point de sortie du courant d'air détendu et refroidi et le point d'entrée du courant d'air comprimé à échauffer sont rapprochés du compresseur 6, les canalisations 19 et 20 deviennent également courtes ce qui est du reste également le cas pour la canalisation 18, par laquelle l'air sortant de la turbine à basse pression 5 arrive dans l'échangeur de chaleur 7, étant donné que ledit point de sortie de l'échangeur 7 se trouve à proximité de la sortie de la turbine 5.
Le montage décrit et la disposition relative des groupes de machines, de l'échangeur de chaleur et de l'échauffeur d'air offrent donc la possibilité, grâce aux courtes connexions entre les différentes parties des appareils et machines, de réduire à un mini- mum les pertes de pression et de chaleur et, pour la première fois, de rendre économique l'échauffage intermédiaire. L'installation thermique de force motrice décrite offre également cet autre avantage que l'on fait l'économie d'un socle pour le groupe compresseur et sa turbine d'entraînement, du fait que le support de l'échauffeur d'air suffit à les porter.
Dans de nombreux cas le compresseur du circuit fermé est construit sous la forme d'une machine à marche spécifique- ment rapide, à nombre de tours élevé, par exemple sous la forme d'un compresseur axial, et il est accouplé directement à la turbine à
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haute pression. De cette manière, l'encombrement de ce groupe de ma- chines devient relativement petit, de sorte qu'il peut lui-même trou- ver sa place sur la plateforme supérieure de l'échauffeur d'air. Mais, même dans ce cas, le groupe compresseur est encore disposé au-dessus de l'extrémité supérieure de l'échauffeur du fluide de travail.
Outre l'avantage de la suppression de canalisation d'arrivée et de départ enchevêtrées pour les machines et les appareils, l'installation ther- mique de force motrice offre donc également l'avantage d'une surface de montage réduite pour l'ensemble de l' installation. Grâce à la subdivision du groupe de machines endeux groupes de fonctionnement indépendant, et, grâce à la disposition d'un de ces groupes au-dessus de l'échauffeur d'.ir, ce dernier groupe peut être considéré comme faisant partie de l'échauffeur d'air.
L'échauffeur d'air et le com- presseur avec sa turbine d'entraînement forment dans ce cas un en- semble organique. Devant l'échauffeur d'air se trouve alors placé dans la salle des machines uniquement une turbine, exactement comme dans les installations à vapeur devant la chaudière, et cette turbine actionne une génératrice ou un autre récepteur de puissance utile.
Il est bien entendu que l'invention est également appli- cable dans le cas d'une turbine divisée en un nombre de sections supérieur à deux, avec un échauffeur intermédiaire répété du fluide de travail. Le compresseur et sa turbine d'entraînement peuvent égale- ment être disposés à côté de l'échauffeur de fluide de travail sur un support spécial, ou sur le support de l'échauffeur. Mais l'essentiel est que ce groupe de machines se trouve toujours placé au moins au niveau de l'extrémité supérieure de l'échauffeur de fluide de tra- vail.
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