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Procédé de transformation de la chaleur en force motrice et de fonctionnement des installations de force motrice à gaz chauds.
On sait qu'on fait fonctionner les installations de force motrice à gaz chauds au m¥ d'un fluide moteur en circulation. Le procédé consiste à comprimer d'abord le fluide moteur, puis à préchauffer le fluide moteur comprimé par échange de chaleur avec les gaz détendus, à le chauffer à la température maximum du cycle, à le détendre et à utiliser, ainsi qu'il a été dit, les gaz détendes au préchauffage, par échange de cha- leur, du fluide moteur. Une fois l'échange de chaleur terminé, les gaz sont refroidis pour subir ensuite une nouvelle compression
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Ce procédé est connu en cycle complètement fermé.
Au contraire suivant le procédé en cycle ouvert, les gaz brûlés s'échappent à l'air libre, c'est à dire dans l'at- mosphère, une fois l'échange de chaleur terminé. En cycle semi-fermé , les gaz se refroidissent dans la portion de l'installation en cycle fermé, une fois recharge de cha- leur terminé, comme dans l'installation à cycle complète- ment fermé, pour subir une nouvelle compression,et dans la portion de l'installation à cycle ouvert, les gaz brûlés s'échappent dans l'atmosphère une fois l'échange de chaleur terminé, comme dans le cycle ouvert normal.
L'inconvénient de tous ces systèmes réside dans le fait que la compression du fluide moteur ou de l'air comburant s'effectue à l'état d'agrégat gazeux de sorte qu'en rai- son de l'importance du volume spécifique, le travail né- cessaire à la compression est considérable, et par suite, le rapport entre le travail de compression et le travail de détente est défavorable.
Le problème à résoudre suivant l'invention consiste à diminuer la forte quantité de travail nécessaire à la compression pour augmenter ainsi le rendement global.
On résout ce problème en commençant la compression du fluide moteur à une température inférieure à celle de l'isotherme, supérieure de 30 C à la température critique de ce fluide moteur, pour lequel le rapport entre la chaleur spécifique du fluide moteur liquide et sa chaleur de vapo- risation est plus grand que dans le cas de l'eau. Parmi les fluides moteurs à envisager à cet effet, on peut citer l'an hydride carbonique, le protoxyde d'azote, et le difluoro-
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dichborométhane.
Pour réaliser le procédé, on comprime par exemple l'anhydride carbonique d'abord en partant d'une température
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de 25 C, par exemple en partant du point d'intersection de l'isotherme de 25 C avec la courbe limite du côté gauche, d'une pression d'environ 65,6 Kg./cm2 à 200 kg/cm2 . Cette compression provoque l'élévation de la température de l'an- hydride carbonique à 47 C environ. Puis on fait subir un préchauffage à l'anhydride carbonique ainsi comprimé par un échange de chaleur décrit plus loin, et par un apport de chaleur supplémentaire, on lui fait prendre la tempéra- ture maximum du cycle, par exemple de 500 C.
La machine motrice, par exemple une turbine, est actionnée par cet acide carbonique gazeux à haute pression et surchauffé, Les gaz détendus qui s'échappent de la turbine servent à préchauffer, par échange de chaleur, l'acide carbonique comprimé, ainsi qu'il a été dit ci-dessus, et après avoir ainsi cédé de la chaleur, se refroidissent au moyen d'un fluide de refroidis- sement , à la température initiale de la compression. La température critique de l'acide carbonique est d'environ 4 31 C. Si on suppose que la température du fluide de re- froidissement est d'environ 18 C, on peut refroidir les gaz à 25 C au moyen d'un fluide de refroidissement.
Cette tempé- rature de 25 C est inférieure à la température critique de l'acide carbonique et par suite, au commencement de la com- pression, 1* acide carbonique est à l'état d'agrégat liquide ou partiellement liquide.
Si la température du fluide de refroidissement était plus élevée, par exemple était de 30 C, on pourrait refroidir les gaz détendus à 35 C environ, et par suite, la température du commencement de la compression, quoique plus élevée que la température critique de l'acide carbo- nique, ne serait cependant pas de 30 C supérieure à cette température, de sorte que la température du commencement de la compression est toujours comprise dans un intervalle dans lequel la densité de l'acide carbonique est encore @
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relativement élevée et par suite, le travail de compression reste encore très faible.
Le fluide moteur peut consister non seulement dans les composés précités, mais encore dans d'autres corps qui remplissent les conditions indiquées ci-dessus. On peut aussi envisager l'emploi de mélanges de corps dont chacun des divers éléments pris à part ne doit pas néces- sairement remplir les conditions pfécitées.
L'invention concerne en outre un procédé de trans- formation de la chaleur en force motrice au moyen d'au moins un fluide moteur, qui sous forme d'un ou plusieurs courants,parcourt un cycle au moins, en recevant à létat comprimé de la chaleur par un moyen de chauffage et en cédant de la chaleur à l'état détendu par un moyen de refroidissement.
L'invention consiste à appliquer un fluide moteur dont la température critique est au moins de 260 Kelvin et au plus de 620 Kelvin, à choisir la nature de ce fluide et à accomplir le cycle de façon à faire coïn- cider une partie au moins de la période pendant laquelle la quantité de chaleur à soustraire définitivement au fluide moteur pendant son cycle lui est soustraite, et pen- dant laquelle il se comprime et reçoit au moins la pre- mière partie de la quantité de chaleur qui doit lui être cédée, au moins lorsque la puissance débitée est normale, avec celle pendant laquelle l'état du fluide moteur est compris dans un intervalle contenant le point critique et dans lequel les températures Kelvin sont égales au moins à 0,95 fois et au plus à 1,1 fois la température critique et sont inférieures à la température maximum du cycle,
et dans lequel les pressions absolues sont égales au moins à la pression de vaporisation correspondant à 0995 fois la température critique et au plus à 10 fois la pression critique.
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Il peut y avoir lieu de faire en sorte que le fluide moteur, pendant que lui est soustraite la quantité de chaleur qui doit lui être soustraite définitivement pendant son cycle, commence au moins à prendre un état dans lequel il est en par- tie liquide, c'est à dire que !'sa chaleur spécifique sous pression constante" est infinie, et que, pendant qu'il reçoit au moins la première partie de la quantité de chaleur qui doit lui être cédée, il passe par une série d'états à "chaleur spé- cifique sous pression constante" finie, la valeur moyenne de ces chaleurs spécifiques, calculées dans l'intervalle de tem- pérature de cette première partie, étant au plus égale au quadruple de la moyenne calculée de la même manière des va- leurs de -dQ/dT de l'échange de chaleur "non corrigé",
dQ étant la quantité de chaleur cédée au fluide moteur par unité de poids par le fluide de chauffage fournissant de la chaleur pendant cette partie du cycle, tandis que la température du fluide de chauffage varie d'une quantité égale.a la diffé- rentielle de -dT.
On peut procéder en choisissant à titre de fluide de chauffage cédant à des portions du fluide moteur une première partie de la quantité de chaleur qui doit lui être cédée, d'autres portions du même fluide moteur, c'est dire portions à un état dans lequel elles cèdent la quantité de chaleur qui ne doit pas être soustraite définitivement, de sorte que les premières portions précitées du fluide moteur servent de fluide de refroidissement pour les dernières portions précitées.
L'essence de l'invention est décrite ci-après au moyen des diagrammes T/S (température/entropie) des figures 1 à 9 des dessins ci-joints et le procédé suivant l'invention est décrit au moyen d'exemples.
Les figures 1 concernent les procédés connus et les figures 5 à 9 le procédé suivant l'invention.
La chaleur dégagée par sa source (par exemple la com-
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bastion) est généralement à une température beaucoup trop éle- vée pour être transformée en travail àl'aide des matériaux dont on peut disposer. On ne peut donc pas utiliser la partie supérieure de l'intervalle de température dont on dispose en soi jusqu'à la température du milieu environnant, et cela en particulier lorsque le travail doit être fourni non pas par un processus intermittent (par exemple un moteur à pistons , mais par un processus stationnaire (par exemple une turbine à vapeur ou à gaz).
La températures supérieure est ainsi limitée à 900 Kelvin environ par exemple tandis que la température inférieure est déterminée par celle du milieu environnant et est d'environ 2900 Kelvin par exemple . On sait que la quantité de travail maximum possible d'un fluide moteur est fournie entre ces limites de température par le cycle de Carnot, c'est à dire avec le rendement optimum, fig.l, Le fluide moteur reçoit de la chaleur d'un fluide de chauffage suivant l'isotherme 1-2 comme l'indi- quent les flèches, et après s'être détendu adiabatiquement sui- vant la ligne 2-3, un fluide de refroidissement lui soustrait sa chaleur résiduelle suivant une isotherme inférieure 3-4, comme l'indiquent les flèches, avant sa compression adiabatique suivant la ligne 4-1.
En ce qui concerne le fluide de chauffage et le fluide de refroidissement, si le fluide de chauffage consiste en la source de chaleur elle-même et le fluide de refroidissement en un élément du milieu environnant, la réalisation d'isothermes 1-2 et 3-4 d'une précision suffisante ne présente pas de diffi- cultes de principe, étant donné que pour l'isotherme supérieure 1-2, on dispose à titre de réserve de température, de la portion supérieure de l'intervalle de température de toute façon inuti- lisé, et pour l'isotherme inférieure 3-4, on dispose dans le fluide de refroidissement provenant du milieu environnant d'une réserve de quantité suffisante, de sorte qu'en utilisant ces ré-
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serves,
on peut empêcher dans des conditions suffisantes les températures de varier au cours des échanges de chaleur du côté du fluide de chauffage ou du côté du fluide de refroidissement.
Par contre, le fluide moteur donne lieu à des difficultés.
Cn peut évidemment obtenir des isothermes précises lorsque le corps qui sert de fluide moteur est -'2 l'état partiellement li- quide. Dans cette région qui, sur le diagramme des températures, est située au-dessous du point critique et entre une courbe limi- te du côté droit et du côté gauche du corps, ce corps est en partie à l'état liquide et en partie à l'état de vapeur. Les isothermes et les isobares coïncident dans cette région et par suite la chaleur spécifique sous pression constante est infinie.
L'état du corps correspond donc à l'isotherme tant que la pres- sion reste constante.
Lais il n'existe pas de corps connus qui à l'état semi- fluide, permet de réaliser un cycle de Carnot fonctionnant entre les limites de température de 900 à 2900 Kelvin sous une forme convenant à la pratique. Les corps dont la température critique est élevée et en particulier supérieure à 9000 Kelvin, ont gé- néralement un point d'ébullition trop élevé et leur condensation à 2900 Kelvin exigerait un vide trop voisin du vide absolu et, par suite, le condenseur et ses accessoires devraient avoir des dimensions inadmissibles.
Par contre, les corps qui se conden- sent facilement à 2.90 Kelvin, tels que l'eau par exemple ont généralement une température critique trop basse, de sorte que par exemple avec l'eau (température critique d'environ 647 Kelvi la moitié environ de l'intervalle de température entre 900et 290 Kelvin dont on dispose serait inutilisée.
D'autres inconvénients d'un cycle de Carnot fonctionnant dans la région semi-liquide consiste en ce que 1' adiabatique de détente 2-3 et l'adiabatique de compression 4-1 et, en particulier, cette dernière, passent par des régions dans lesquelles la proportion de la composante @
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liquide du corps est grande et, en outre, son poids spécifique est sensiblement plus grand que celui de la composante à l'é- tat de vapeur, ce qui donner lieu à des inconvénients dans la turbine et dans le compresseur et que de plus le travail obtenu n'est qu'un excès du travail fourni par la turbine, par rapport à un travail relativement grand du compresseur et que, par suite, les pertes qui se produisent dans les deux machines,
c'est à dire dans la turbine et dans le com- presseur, diminuent très notablement la puissance qu'on peut obtenir.
On a donc été obligé de s'écarter du cycle de Carnot.
Par exemple, les premières machines à vapeur comportent déjà des pompes d'alimentation, et, par suite, ne compriment pas le fluide l'état semi-liquide, mais 0. l'état liquide, en di- minuant ainsi à une valeur presque négligeable la puissance du compresseur , mais en revanche en donnant lieu à des pertes supplémentaires dans l'intervalle de température dont on dis- pose.
Pour diminuer ces dernières pertes, on a adjoint à un des échangeurs de chaleur (la chaudière à vapeur} d'autres échangeurs de chaleur (préchauffeur de l'eau d'alimentation par les gaz brûlés et par la vapeur intermédiaire) pour pou- voir utiliser par la surchauffe de la vapeur la portion jus- qu'alors inutilisée de l'intervalle de température disponible entre la température de vaporisation et environ 900 Kelvin quoiqu'en partie seulement etpour une partie seulement de la quantité de chaleur apportée. Les machines à vapeur connues à fluides multiples par exemple à vapeur de mercure et à va- peur d'eau, devraient permettre en soi d'utiliser la totalité de l'intervalle de température dont on dispose à partir de 9000 Kelvin environ, mais n'ont pas encore fait l'objet d'applications dans la pratique.
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En cherchant à s'écarter du cycle de Carnot on a donc réussi dans la machine à vapeur à diminuer la puissance du compresseur à une très faible valeur, mais on a renoncé à priori au cycle le plus avantageux au point de vue thermo- dynamique .
On a également été obligé de s'écarter du cycle de Carnot dans la turbine à gaz. Il existe un grand nombre de corps connus convenant l'état gazeux au lieu de l'état semi-liquide qui peuvent servir de fluides moteurs accomplie sant un cycle de Carnot dans l'intervalle de température de 900 et 290 Kelvin. Il a cependant été nécessaire de réalise... un premier écart, car il n'est pas possible d'obtenir une iso therme avec un gaz, étant donné que l'apport de chaleur devr correspondre à une détente simultanée, et la soustraction de chaleur à une compression simultanée.
Il en résulte dans la pratique qu'on ne peut plus obtenir qu'une approximation d'une isotherme et à cet effet, comme l'indique la figure 2, la turbine devrait comporter suivant l'isotherme supérieure un nombre d'étages de chauffage intermédiaires aussi nombreux que possible (courbe5-6) et suivant l'isotherme inférieure, le compresseur devrait comporter un nombre d'étages de re.- froldissement intermédiaires aussi nombreux que possible (courbe 7-8). Les machines à étages multiples de ce type sont coûteuses et encombrantes et surtout compliquées et don- nent lieu de leur côté à des pertes supplémentaires. Ces pertes deviennent siconsidérables à partir d'un certain nom- bre d'étages qu'elles réduisent à néant l'amélioration à escompter théoriquement ou marne lui sont supérieures.
Il en résulte une limite au nombre d'étages possible et une augmen- tation de l'écart à partir de l'isotherme nécessaire au cy- cle de Carnot. De plus à l'encontre de la région semi-liqui- de, il est nécessaire pour obtenir une isotherme mme approxi
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Native dans la région gazeuse, de donner à la machine une puissance supplémentaire par rapport à celle qui est néces- saire pour réaliser l'adiaatique. On doit donc s'efforcer encore beaucoup plus que dans la région semi-liquide, pour les raisons déjà indiquées, dediminuer la puissance du com- presseur.
On s'écarte donc ici aussi généralement des adia- batiques du cycle de Carnot et on remplace les machines adiabatiques par un échange de chaleur à l'intérieur du cycle Les adiabatiques 6-7 et 8-5 de la figure 2 sont alors rempla- cées par les isobares 10-11 et 12-9 de la figure 3, et la chaleur arrivant sur l'isobare 10-11 est transmise par échan- ge à l'isobare 12-9 comme l'indiquent les fléchas. Si on admet que cet échange de chaleur a lieu sans perte, le cycle de la figure 3 a le même rendement que celui de la figure 2.
Mais cette hypothèse n'est réalisable que si la "chaleur spécifique à pression constante" (désignée ci-après pour abréger "chaleur spécifique") du fluide moteur a la même valeur sur les deux isobares à la marne température,c'est-à- dire si les isobares sont congruentes, ce qui n'est nullement le cas dans la région gazeuse. On est donc obligé de se résigner à des pertes dans les échanges de chaleur non seu- lement suivant les courbes 9-10 et 11-12, mais encore sui- vant les courbes 10-11 et 12-9 ou de rechercher des moyens spéciaux d'y remédier.
Enfin suivant la figure 4, on s'écarte encore davan- tage du cycle de Carnot souvent pour simplifier, en renonçant complètement à réaliser une isotherme approximative et à réa- liser un cycle qui ne se compose que de deux isobares et deux adiabatiques. La chaleur dégagée par la source de chaleur est transmise au fluide moteur suivait la portion d'isobare 13-14, et la chaleur résiduelle est transmise au fluide de refroidis- sement suivant la portion d'isobare 16-17. L'échange de cha- leur entre les portions d'isobares 15-16 et 18-13 s'effectue
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à l'intérieur du cycle .
Le fluide se détend suivant l'adiaba- tique 14-15 et se comprime suivant l'adiabatique 17-18. La portion de courbe 13-14-15 est alors analogue à celle de la surchauffe d'une machine à vapeur, et les pertes dans l'in- tervalle de température qui se produisent pendant l'échange de chaleur entre le fluide de chauffage et le fluide moteur suivant la courbe 13-14 sont identiques à celle qui se pro- duisent suivant l'isobare de surchauffe des machines.
Cepen- dant cette solution a l'avantage par rapport aux machines à vapeur de faire arriver la totalité de la chaleur progenant de la source dans cet intervalle à haute température, tandis que dans la machine à vapeur une grande partie de la chaleur de chauffage doit être fournie généralement suivant l'isotherme de vaporisation à température plus basse, c'est-à-dire avec des pertes beaucoup plus considérables de l'intervalle de température disponible*. Lais en revanche l'isobare 16-17 a l'inconvénient de s'écarter de l'isotherme du fluide de refroi- dissement tandis que l'isobare de la condensation de la machine à vapeur coïncide déjà en soi avec une isotherme.
L'échange de chaleur avec le fluide de refroidissement suivant l'isobare 16-17 donne donc lieu à des pertes de température dans l'inter- valle disponible, analogues à celles qui se produisent dans l'échange de chaleur avec le fluide de chauffage suivant l'i- sobare 13-14. En outre, le travail à fournir par le compres- seur suivant l'adiabatique 17-18 est également très grand au point de vue purement théorique par rapport à la puissance qui peut être recueillie. Ces pertes diminuent donc très no- tablement la puissance qui peut être obtenue, quoique les pertes de puissance de ce compresseur adiabatique puissent être plus faibles que celles d'un compresseur comportant plu- sieurs stades de refroidissement intermédiaires, étant donné que la puissance obtenue n'est que la différence entre la puissance de la turbine et celle du compresseur.
Par contre,
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dans le cas de la machine à vapeur, la compression obtenue en s'écartant du cycle de Carnot est reportée dans la région dans laquelle le fluide est à l'état liquide, ce qui permet de réduire la puissance du compresseur à une valeur pratique- ment négligeable..
Dans le but de remédier ou d'atténuer les inconvé- nients que présentent d'une part le processus de la machine à vapeur et d'autre part celui de la turbine à gaz, il est pré- conisé, suivant la présente invention, d'appliquer un fluide moteur dont la température critique est au moins de 2600 Kelvin et au plus de 6200 Kelvin, de le choisir et d'accomplir le cycle de façon à faire coïncider une partie au moins de la période pendant laquelle la quantité de chaleur à soustraire définitivement au.
fluide moteur pendant son cycle lui est soustraite, et pendant laquelle il se comprime et reçoit au moins la première partie de la quantité de chaleur qui doit lui être cédée, au moins lorsque la puissance débitée est normale, avec celle pendant laquelle l'état de fluide moteur est compris dans un intervalle contenant le point critique et dans lequel les températures Kelvin sont égales au moins à 0,95 fois et au plus 1,1 fois la température critique et sont inférieures à la température maximum du cycle et dans lequel les pressions absolues sont égales au moins à la pres- sion de vaporisation correspondant à 0,95 fois la température critique et au plus 10 fois la pression critique.
La région contenant le point critique précité est hachurée sur les figures 5 à 7 et représentée sensiblement à l'échelle dans le- cas où le fluide moteur choisi à titre d'exem ple est l'anhydride carbonique. Le point critique de l'anhy- dride carbonique est désigné par K et les courbes limites 19 et 20 de l'anhydride carbonique se dirigent à droite et à gau-
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che de ce point. La figure 5 représente encore à titre d'exem- ple un cycle de l'anhydride carbonique choisi à titre de fluide moteur, se prolongeant jusqu'à une température de 900 Kelvin.
La totalité de la chaleur provenant de la source est transmise suivant la courbe 21-22 et, après détente, suivant la courbe 22-23, la chaleur est soustraite à l'anhydride car- bonique suivant l'isobare 23-24 et transmise en échange de ch leur à l'intérieur du cycle à l'isobare 27-21. La quantité de chaleur totale cédée est cédée à un fluide de refroidissement suivant la courbe 24-26, c'est-à-dire en partie suivent l'iso- therme de condensation 25-26 particulièrement avantageuse- au point de vue de cet échange de chaleur. La compression s'effec tue suivant la courbe 26-27.
La puissance est obtenue sous forme de différence entre le travail de détente suivant la courbe 22-23 et le travail de compression relativement très faible suivant la courbe 26-27.
Outre le travail, on peut encore recueillir de la chaleur, par exemple dans le cas de la figure 5, de préférence dans la partie inférieure de l'isobare 23-25 et en particulier sur sa portion 24-25.
La figure 5 a été tracée en admettant que le fluide de refroidissement qui doit absorber une partie au moins de la quantité..de chaleur qui doit être définitivement soustrai- te au cycle suivant la courbe 34-26 est un corps ayant à peu près la température moyenne du milieu environnant. Les figures 6 et 7 ne représentent que la partie inférieure d'un cycle à anhydride carbonique, en admettant que la température du -fin de de refroidissement est plus élevée sur la figure 6 et plus basse sur la figure 7 que celle qui a été choisie pour la figure 5.
La chaleur peut ainsi être recueillie dans le cas de la figure 6, également dans la partie inférieure de la cour
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be 84-26, en appliquant par exemple à titre de fluide réfrigé- rant un véhicule de chaleur servant au chauffage de locaux.
Les figures 5 à 7 indiquent donc à titre d'exemple de quelle manière on peut faire correspondre la forme de la partie infé- rieure du cycle à la température du fluide de refroidissement.
Mais elles peuvent également indiquer à titre d'exemple de quelle manière on peut faire coïncider approximativement une portion de la période précitée du circuit avec la région ha- churée contenant le point critique d'un corps servant de fluide moteur, ce corps pouvant être différent suivant la température à laquelle la quantité de chaleur à soustraire dé- finitivement au fluide moteur pendant son cycle est sous- traite à ce fluide.
On voit, d'après la liste donnée plus loin, qui contient à titre d'exemple un certain nombre de corps connus, que les températures critiques de ces corps sont suffisamment comprises entre les limites des intervalles de température critiques à envisager dans le procédé suivant l'invention, et permettent de tenir compte lorsqu'on les choisit, d'autres points de vue tels que les risques de dé- composition, d'explosion, de corrosion ainsi que des risques physiologiques.
En ce qui concerne en particulier ces risques, sont susceptibles de retenir spécialement l'attention les fluore-chloro dérivés du méthane connus dans le commerce sous le nom de "fréons" (Voir "les propriétés thermiques de tous les fluoro-chloro-dérivés du méthane" par G. Seger "Annexe N 43 1943 du "Zeitschrift des Vereins deutscher Chemiker" ainsi que "Die Fluor-Chlor-Derivate gesättigter Kohlenwasserstoffe und ihre technische Verwenbarkeit" par le Prof. Dr. R. Plank, "Annexe N 44, 1942, du Zeitschrift des Vereins deutscher Chemiker), dont la liste ci-dessus ne contient que deux exemples.
La liste donnée ci-après dans l'ordre des températu- res critiques, contient d'abord le nom du corps suivi éven-
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tuellement de sa formule chimique et entre parenthèses de sa température critique approximative en degrés Kelvin.
Ozone 268, éthylène 282, xénon 289, anhydride carbonique 304, éthane 308, acétylène 308, protoxyde d'azote (N2O) 309, fluorure de méthyle (CHF) 3l8, acide chlorydrique (HCL)324, hydrogène phosphoré (PH3) 325, hexafluorure de soufre (SF6) 333, acide bromhydrique (HBr) 365, propylène 365, propane 370, hydrogène sulfuré 373, sulfure de carbonyle (COS) 378, "fré on 12" (CC12F2 384, "fréon C-318" 388, diméthyl- éther (C2H6O) 400, cyanogène 401, ammoniaque 405, isobutane (C4H10) 406, chlorure-de méthyle (CH3Cl) 416, chlore 417, méthylamine (CH5N) 430, anhydride sulfureux 430, diméthylamine (C2H7N) 437,
chlorure de nitrosyle (NOCl) 438, éthylamine 456, n-pentane 470, diéthylamine 500, alcool éthylique (C2H6O) 516, n-heptane 540, benzol (C6H6) 561, brome 583, toluol (C7H8) 593, acide acétique 594.
A titre de comparaison: eau 647 kelvin sous une pression critique de 225 Kg/cm .
On voit d'après les chiffres correspondant à l'eau donné à titre de comparaison à la fin de la liste pourquoi l'eau ne peut être envisagée à titre de fluide moteur dans le procédé suivant l'invention. En effet, la pression critique de l'eau est si élevée que si la température correspondant à l'entropie du point critique dépasse sa valeur critique, ainsi qu'il peut arriver et qu'il est même souhaitable qu'il arrive, dans les formes de réalisation choisies de préférence du cycle suivant l'invention, la pression devient si élevée qu'elle donnerait lieu à des difficultés pratiques insurmon- tables pour le moment.
Le procédé suivant 'invention est décrit ci-après en détail avec les figures 5 à 7 à l'appui, c'est-à-dire en tant que s'appliquant à l'exemple de l'anhydride carbonique.
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Ainsi qu'il ressort de la figure 5, la portion supé- rieure du cycle ne diffère pas sensiblement de la portion cir- du cycle culaire/d'un gaz tel que celui qu'on emploie d'habitude dans une turbine à gaz. En conséquence, des moyens analogues à ceux qui sont connus à propos des turbines, peuvent servir à diminuer encore les pertes dans l'intervalle de température disponible qui se produisent dans l'apport de chaleur suivant la courbe 21-22. Par exemple, on peut intercaler au moins un chauffage intermédiaire dans la portion de détente 22-23, pour rendre ainsi l'apport de chaleur encore plus voisin de celui d'une isotherme.
Cette partie supérieure du cycle possède donc tous les avantages de la portion supérieure d'un cycle d'une turbine à gaz, sans les inconvénients de la par- tie supérieure d'un cycle d'une machine à vapeur.
Au contraire, la partie inférieure du cycle ne présente pas l'inconvénient de la turbine à gaz dans laquelle un travail de compression excessif est nécessaire, mais se rapproche à cet égard de celle d'une machine à vapeur, ainsi que l'indiquent les figures 5 à 7 (comparer la grandeur et la position de la portion 26-27) étant donné que le travail de compression est toujours assez faible pour que les pertes qui se produisent ddns le compresseur ne soient plus suscep- tibles de diminuer sensiblement le rendement de la puissance obtenue, comme dans le cas de la turbine à gaz.
Dans la partie supérieure des isobares 33-24 et 27-21, les conditions de l'échange de chaleur entre ces isobares sont à peu près les marnes que dans une turbine à gaz, étant donné que dans leur partie supérieure les deux isobares sont sensiblement congruentes, c'est-àdire que la chaleur spéci- fique est sensiblement la même sur les deux isobares à la même température.
Au contraire dans la partie inférieure de l'iso- bare 27-21, la chaleur spécifique est plus grande que dans
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la partie inférieure de l'isobare 23-24, ainsi que l'indique son inclinaison moindre. La valeur de cette inclinaison peut cependant être choisie, étant donné que dans la région semi- liquide limitée par les courbes 19 et 20, l'inclinaison de l'isobare est;
.nulle et par suite, la chaleur spécifique est infinie, et que la chaleur spécifique ne prend une valeur finie qu'au-dessus du point critique K. et finalement est d'au- tant plus faible que le point d'intersection de l'isobare avec la courbe isentropique du point critique se trouve à une hauteur plus élevée au-dessus du point critiquerOn peut donc faire prendre à volonté à cette portion inférieure de l'iso- bare 27-21 une forme qui correspond dans une large mesure aux caractéristiques d'un échange de chaleur.
Si on désire réaliser un échange de chaleur entre deux éléments circulant à contre-courant, en réduisant au minimum les pertes de l'intervalle de température disponible, on devra faire en sorte que, pendant qu'une quantité de chaleur infiniment petite passe de l'élément cédant à Isolément absor- bant de la chaleur, pendant un trajet infiniment petit du fluide, la température du premier élément diminue autant que possible de la même quantité que celle du second élément aug- mente. Un échange de chaleur sans perte entre un élément dont la chaleur spécifique est finie et un élément dont la cha- leur spécifique est infinie, c' est-à-dire un élément qui, sous forme isobare, se trouve à l'état semi-liquide, est donc irréalisable.
Un échange de chaleur sans perte n'est réalisa- ble que lorsque les deux éléments possèdent une chaleur spé- cifique infinie (et en outre que leur différence de tempe - rature n'est pas supérieure à la faible différence qui est nécessaire à la transmission de la chaleur) ou lorsque les deux éléments possèdent une chaleur spécifique finie.
Un autre avantage du procédé suivant l'invention consiste dans la possibilité de faire acquérir au fluide
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moteur une chaleur spécifique s'adaptant dans une large mesure au mode de l'échange de chaleur, suivant le mode de cet échan- ge de chaleur (qu'il doit subir pendant la période pendant la- quelle la quantité de chaleur à soustraire définitivement lui est soustraite, et pendant laquelle il se comprime et reçoit au moins la première partie de la chaleur qui doit lui être cédée) et suivant le choix du trajet pendant lequel son état passe par la région précitée, hachurée sur la figure.
Par. exemple, si le fluide moteur doit subir pendant que la quanti- té de chaleur Qui doit lui être soustraite définitivement pendant le cycle lui est soustraite, un échange de chaleur aussi isothermique que possible, on peut choisir la nature du fluide moteur et accomplir le cycle, de façon à le faire passer au moins par un état dans lequel il est semi-liquide.
Les figures 5 et 7 représentent des exemples de cette solution:
Sur la figure 5, le fluide moteur est à l'état semi- liquide, suivant l'isotherme 25-26 à l'intérieur de la région hachurée.
Sur la figure 7, l'état du fluide moteur pénètre dans la région semi-liquide au point 25 mais ne parcourt l'isother- me que jusqu'au point 36, puis pendant la compression suivant la courbe 26-27, arrive dabord dans la région hachurée et quitte ensuite la région semi-liquide. Ou bien, ainsi qu'il est indiqué en pointillé, l'état du fluide moteur passe dans la région serai-liquide jusqu'au point 26' et la quitte avant ou pendant la compression suivant la courbe 26'-27' pour péné- trer ensuite dans la région hachurée. Cette dernière solution a l'avantage de rendre encore plus faible le travail de com- pression suivant la courbe 26'-27' que suivant la courbe 26-27.
De plus, le point 24 qui est situé un peu plus jhaut que le point 27 et désigne la limite à partir de laquelle la sous- traction de la quantité de chaleur à soustraire définitivement
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du circuit peut commencer de préférence, descend jusqu'au point 24' (qui doit être également situé un peu plus haut que le point 27').La presque totalité de la quantité de à chaleur/soustraire définitivement est ainsi soustraite suivant l'isotherme 25-26'. Cette solution convient ainsi particulièrement au cas où l'autre élément d'échange de chaleur possède une chaleur spécifique infinie, comme dans le cas par exemple où l'autre élément consiste en un fluide moteur à l'état semi-liquide d'un autre circuit,
ou lorsque cet autre élément consiste en une quantité suffisamment grande d'un fluide de refroidissement disponible, par exemple d'un fluide de refroidissement provenant du milieu environnant.
Le cycle suivant la courbe 24-25-26 de la figure 5 convient encore à ce dernier cas, quoiqu'il soit un peu moins avanta- geux, étant donné que les pertes de l'intervalle de températu- re disponible peuveht être plus.grandes suivant la courbe 24- 25', mais il convient parfaitement au cas où l'autre élément d'échange de chaleur consiste en un autre fluide moteur d'un autre cycle passant par des états à chaleurs spécifiques fi- nies. Le cycle suivant la courbe 25-26 de la figure 6 conviens encore mieux à ce dernier cas. L'état du fluide moteur qui pénètre à peu de distance au delà du point 24 dans la région hachurée reste complètement au-dessus de la région semi- liquide limitée par les courbes 19 et 20, et par suite, passe toujours par des étts à chaleurs spécifiques finies.
De même, les isobares suivent sur les figures 5 à 7 un trajet situé au-dessus de la région semi-fluide depuis la point 27 jusqu'au point 21, qui est représenté sur la figure 5 mais non sur les figures 6 et 7. Le fluide moteur passe dans 1 partie inférieure de ces isobares suivant laquelle il reçoit au moins la première partie de la quantité de chaleur qui doit lui être cédée, par des états à chaleur spécifique finie et pour obtenir un échange de chaleur sans perte suivant ce tra-
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jet, (par exemple un échange de chaleur avec d'autres por- tions du même fluide moteur qui, dans la portion inférieure de l'isobare 23-24, sont à l'état correspondant à la sous- traction de la quantité de chaleur qui ne doit pas être sous- traite définitivement)
il convient de faire en sorte que la valeur moyenne de ces chaleurs spécifiques calculée dans l'in- tervalle de température de cette première portion soit au moins égale au quadruple de la moyenne, calculée de la même manière, des valeurs -dQ/dT de l'échange de. chaleur non "corrigée". dQ- désignant la quantité de chaleur cédée au fluide moteur par unité de poids par le fluide de chauffage fournissant la chaleur pendant cette partie du cycle, tandis que la température du fluide de chauffage varie d'une quantité égale à la différentielle de -dT.
Sous une fore plus précise, il résulterait de cette condition que ce n'est pas la valeur moyenne mais chacune des valeurs individuelles de la chaleur spécifique qui devrait être égale à la valeur individuelle correspondante -dQ/dT de l'échange de chaleur non "corrigé", car ce n'est que dans ce cas quen, dans un échange de chaleur, ainsi qu'il a été décrit ci-dessus, la température de l'élément cédait de la chaleur peut diminuer de la même quantité que la température de l'élé- ment absorbant de la chaleur de l'échange de chaleur augmente simultanément.
Il est cependant possible, à l'aide de moyens spé- ciaux, même lorsque l'écart précité atteint le quadruple et du fait qu'on se contente de la moyenne au lieu de la valeur individuelle, de réaliser un échange de chaleur suffisamment exempt de perte. Ces moyens spéciaux consistent à "corriger" l'échange de chaleur. Si;on constate,par exemple, que la chaleur spécifique de l'élément cédant de la chaleur est trop faible, on compense par exemple le défaut qui en résulte en augmentant le débit de cet élément passant le long des parois
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de l'échangeur de chaleur.
Si, de plus, on limite la quantité en circulation de ces éléments, c'est-à-dire si l'élément cédant de la chaleur et l'élément en absorbant consistent en portions du même courant du fluide moteur, on fait subir par exemple à l'élément cédant de la chaleur une compression intermédiaire, on élève ainsi sa température et on le fait repasser le long des surfaces d'échange de chaleur.
Suivant une autre solution, une fois .achevée la première partie de l'échange de chaleur, on prélève une portion de l'élément cédant de la chaleur, on la comprime séparément et on lui fait parcourir ensuite la partie supérieure du cycle .Il ré- sulte de ce dernier moyen que par rapport à la portion restan- te que la quantité de l'élément cédant de la chaleur passant le long des surface d'échange de chaleur pendant la première de partie de l'échange de chaleur, augmente/la quantité prélevée précitée. Ces deux moyens peuvent être employés à plusieurs reprises s'il y a lieu et peuvent aussi être combinés entre eux. De plus, on peut aussi corriger l'échange de chaleur du côté de l'élément absorbant de la chaleur.
Si on constate, par exemple, que la chaleur spécifique de cet élément est trop grande, on lui fait subir par exemple au moins une compression intermédiaire par laquelle la température de l'élément absorbaht de la chaleur redevient égale à celle de l'élément cédant de la chaleur.
On peut encore corriger l'échange de chaleur en remplaçant la quantité de chaleur qui fait défaut par de la chaleur venant de l'extérieur et employer à cet effet, par exemple les chaleurs perdues du fluide de chauffage ou en faisant prendre, par exemple dans un circuit auxiliaire spécial à un autre fluide moteur, par compression, une température convenant à l'échange de chaleur, en l'utilisant à l'échange de chaleur sous forme d'élément supplémentaire cédant de la chaleur en le faisant passer de
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ce fait, pendant ou après une détente ultérieure, dans son état semi-liquide et en le revaporisant ensuite et le surchauf fant éventuellement avant de le rècomprimer,
à l'aide de la Ehaleur du milieu environnant ou de la chaleur résiduelle du circuit principal*On peut aussi employer pour le circuit auxiliaire un fluide moteur qui reste à l'état gazeux, en remplaçant alors la vaporisation par des détentes et des chauffages intermédiaires. On peut également absorber un excès de chaleur par une chaleur de réaction ou remplacer la quantité de chaleur qui fait défaut par une chaleur de réaction
L'exemple de la figure 8 représente la partie infé- rieure du cycle suivant l'invention, dans lequel le fluide de chauffage consiste dans le fluide moteur d'un cycle su- périeur, tel que celui d'une turbine à gaz du type décrit à propos de la figure 4.
La quantité de chaleur provenant de la source de chaleur arrive dans le circuit de la turbine à gaz suivant l'isobare 28-29. Le fluide se détend suivant la ligne 28-30, puis sur la portion 30-31 de l'isobare infé- rieure de ce circuit cède de la chaleur par échange à la portion 34-28 de l'isobare supérieure. Au lieu de faire arri- ver suivant la portion 31-33 de l'isobare inférieure la quantité de chaleur à soustraire définitivement au cycle de la turbine à gaz, avec une perte considérable de l'intervalle de température disponible, à un fluide de refroidissement du milieu environnant, on fait passer la quantité de chaleur qui arrive suivant la courbe 31-32 en échange de chaleur, sur l'isobare supérieure 35-36 d'un cycle inférieur.
Ce cycle est un cycle suivant l'invention qui est représenté à l'échelle sur la figure 8 et dont le fluide moteur est le "fréon 12" (voir la liste ci-dessus). En choisissant d'une manière appro- priée les quantités d'un des fluides moteurs qui parcourt le cycle de la turbine à gaz,' et du fréon 12 qui parcourt un autre cycle, ainsi qu'en accomplissant également le cycle
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suivant l'invention d'une manière appropriée, on peut faire correspondre les changements d'état 35-36 et 31-32, de façon à obtenir entre eux un échange de chaleur suffisamment exempt de per te . De plus, ainsi qu'il a été dé dr it en détail ci-dessus,
on peut employer s'il y a lieu des moyens spéciaux pour corriger encore davantage cet échange de chaleur.
Il ne rest plus à soustraire définitivement du cycle de la turbine à gaz que --la quantité de chaleur qui arri- ve sur la portion d'isobare 32-33 et qui peut être transmise directement au fluide de refroidissement sans perte apprécia- ble dans l'intervalle de température disponible, avant que le fluide moteur du cycle de la turbine à gaz subisse une nouvelle compression suivant la portion 33-34 jusqu'à l'iso- bare supérieure. On peut aussi faire fonctionner la turbine à gaz elle-même d'après le cycle dit ouvert, c'est-à-dire qu'elle aspire de l'air dans l'espace environnant (état corres- pondant au point 33). La chaleur apportée suivant la portion 28-29 est alors obtenue par combustion interne . Lies gaz brûlés à l'état correspondant au point 32 s'échappent alors dans l'atmosphère.
De plus, le cycle supérieur peut aussi être un cycle fonctionnant par intermittences, par exemple le cycle d'un moteur à combustion à pistons et dans ce cas, le cycle supérieur peut être prolongé jusqu'à une température sensiblement plus élevée que la température de 900 Kelvin choisie sur la figure 8.
Le fréon du cycle inférieur se détend suivant la portion 36-37 et l'état du fluide moteur passe alors à partir du point 38 dans la région semi-liquide du fréon jusqu'au point 39, puis la compression s'effectue suivant la portion 39-35 à l'état liquide, c'est-àdire avec une dépense de travail très faible. Comme sur les figures 5 à 7, la région hachurée con- tenant le point critique du fréon est représentée à peu près à l'achelle sur la figure 8 pour le fréon 12.
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La figure 9 représente schématiquement trois cycles différents Qui peuvent être parcourus éventuellement par trois fluides moteurs différents. Le cycle supérieur,à la température la plus élevée, est un cycle de turbine gaz- Sa chaleur résiduelle est transmise à un cycle intermédiaire choisi suivant l'invention et dont la chaleur résiduelle est transmise à un cycle inférieur qui est également choisi suivant l'invention. On peut voir en particulier d'après cet exemple de quelle manière on peut faire correspondre l'iso- bare supérieure du cycle intermédiaire, en ce qui concerne.
l'échange de chaleur, dans une mesure suffisante avec liso- bare inférieure du cycle supérieur et de quelle manière on peut également faire correspondre l'isobare inférieure du cy- cle intermédiaire, en ce Qui concerne l'échange de chaleur, avec l'isobare supérieure du cycle inférieur. Ce processus se composant de trois cycles élémentaires prendra une impor- tance toute particulière lorsque les progrès de la technique permettront d'adopter, pour la température supérieure, des valeurs sensiblement plus élevées que la valeur de 9000 Kelvin choisie à titre d'exemple sur les figures 1 à 5 et 8.
En ce qui concerne le choix du fluide moteur, il n'est possible d'indiquer que des règles tout-à-fait générales, étant donné qu'il y a lieu de tenir compte d'un grand nombre de considérations à propos de ce choix. Quelques unes de ces considérations ont déjà été indiquées dans la liste ci-dessus.
Il y a lieu de tenir compte en particulier de la température du fluide de refroidissement qui sert à absorber la chaleur qui doit être définitivement soustraite du cycle.
Ces températures peuvent tre classées à peu près en trois groupes, comme suit:
Dans le premier groupe, le fluide de refroidisse- ment est un corps à une température du milieu environnant
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géologique et météorologique, c'est-à-dire à une température d'environ 220 à environ 230 Kelvin et le fluide moteur peut être un corps dont la température critique est comprise entre les limites approximatives de 260 et 400 Kelvin.
Dans le second groupe, le fluide de refroidissement est un véhicule de chaleur à une température telle qu'elle est nécessaire au chauffage deslocaux, c'est-à-dire d'en- viron 300 à environ 373 Kelvin, ou un fluide moteur d'un autre cycle à chauffer à une température comprise dans cet intervalle, et le fluide moteur peut être un corps dont la température critique est comprise entre les limites de 300 et 470 Kelvin.
Dans le troisième groupe,le fluide de refroidis- sement est un autre fluide moteur d'un autre circuit ou un autre véhicule de- chaleur à une température telle qu'elle est nécessaire à la vaporisation de l'eau sous une pression absolue de 1 à 100 kg/cm , c'est-à-dire comprise entre environ 373 et environ 583 Kelvin et le fluide moteur peut être un corps dont la température critique est comprise entre les limites de 390 et 6200 Kelvin.
Parmi les fluides moteurs énumérés à titre d'exemple dans la liste ci-dessus, il peut être avantageux de choisir d'après les considérations qui précèdent, pour le premier groupe par exemple le xénon, l'anhydride carbonique, l'hexa- fluorure de soufre, le fréon 12, le fréon C-318, pour le second groupe, par exemple l'anhydride carbonique, l'hexafluo- rure de soufre, le fréon 1, le fréon C-318 et l'anhydride sulfureux, et dans le troisième groupe par exemple l'anhydride sulfureux, l'alcool éthylique, le benzol, le toluol.
La raison pour laquelle ces groupes doivent empiéter largement l'un sur l'autre est donnée au moyen d'un exemple.
Suivant la figure 5, l'anhydride carbonique du premier groupe
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ci-dessus peut être combiné avantageusement avec un fluide de ... refroidissement du premier groupe. Mais comme l'indique la figure 8, on peut aussi employer pour la même température du fluide de refroidissement le fréon 12, quoique la température critique de ce corps (voir la liste) soit sensiblement plus élevée que celle de l'anhydride carbonique. Cependant, il faut tenir compte du fait que le fréon 12 risque de se dé- composer dans une certaine mesure à teméprature élevée, con- trairement à l'anhydride carbonique.
C'est pourquoi le cycle du fréon ne se prolonge pas sur la figure S jusqu'à la tempé- rature la plus élevée, mais on lui a superposé un cycle de tur- bine à gaz qui peut fonctionner sans risque avec un fluide mo- teur gazeux dans la région des températures les-plus élevées .
Il en résulte un cycle combiné formé par les deux cycles élé- mentaires, qui fonctionne d'une manière très avantageuse.
En effet, le cycle de la turbine à gaz permet d'obtenir la chaleur qui doit être transmise à la partie inférieure de l'isobare 35-36 du fréon et c'est seulement grâce à cette cha- leur qu'il est possible de prolonger avantageusement le cycle du fréon malgré la température critique relativement élevée de ce corps, jusqu'à la température d'un fluide de refroidisse- -ment provenant du milieu environnant. 11 ressort de cet exem- ple que la nature du fluide moteur ne peut être choisie cor- rectement que par la combinaison d'un assez grand nombre de considérations*