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Cycle thermique de travail,.
La présente description concerne un cycle de travail dans lequel on alimente un moteur fonctionnant par détente dee gaz, tel qu'une turbine, sous une pression de valeur moyenne, par exemple 20 kg/cm2.
L'invention a pour objet un procédé de production d'énergie thermique caractérisé en ce qu'un moteur principal fonctionnant par détente des gaz est alimenté sous une pression de valeur moyenne, par exemple de 20 kg/cm2, en partie par des gaz ayant été portés à haute pression, par exemple à 100 kg/cm2, puis ayant été détendus jusqu'à ladite pression de valeur moy@2 dans un moteur auxiliaire à gaz, et en partie par des gaz direc- tement comprimés à ladite pression de valeur moyenne,
ledit moteur auxiliaire étant utilisé pour actionner au moins une partie des compresseurs nécessaires pour comprimer lesdits gaz à moyenne pression et à haute pression*
L'invention a également pour objet/un dispositif pour la production d'énergie thermique destiné à la mise en oeuvre
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du procédé indiqué ci-dessus.
Des moteurs à combustion interne et notamment des os- cillateurs à pistons libres peuvent être utilisés pour entra!. ner une. partie des compresseurs qui peuvent également être cons- tituée par des oscillateurs à pistons libres*
L'air comprimé à haute pression, par exemple 100 kgs cm2 peut tout d'abord être porté à une température relativement élevée, par exemple 700 , au moyen de brûleurs dans lesquels il sert de comburant, puis détendu dans le moteur à gaz, puis porté à nouveau à une température relativement élevée, par exemple 700 ,
au moyen de brûleurs dans lesquels le comburant est cons- titué par cet air et éventuellement par un appoint d'air à pression moyenne*
L'air à haute et à moyenne pression peut avant d'ar- river aux brûleurs correspondant 'être réchauffé dans les enve- loppes des moteurs à combustion et à gaz pour en assurer le re- froidissement, éventuellement aussi, dans un échangeur de cha- leur, par les gaz d'évacuation des moteurs à combustion interne qui peuvent eux-mêmes après leur sortie de l'échangeur être en- voyés dans l'étage adéquat de la turbine à gaz pour y céder de l'énergie calorifique et de l'énergie cinétique.
Le dessin annexé montre un mode de réalisation de la présente invention*
La fige 1 est un schéma simplifié.
La fig.2 représente le diagramme entropique des di- versea opérations caractérisant ce cycle.
La fige 3 donne le schéma d'une solution pratique pour réaliser matériellement le cycle.
La fige 4 est une coupe transversale schématique à une échelle plus grande perpendiculaire à l'axe d'un compres- seur multiple dutype oscillateur.
Le moteur à combustion interne 2 et le moteur à gaz 3 entraînent des compresseurs 4, 5 et 5,4 qui fournissent de
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l'air comprimé à haute pression, 100 kgs/cm2 par exemple, qu'on brûleur 14 porte à une température élevée, OC3 par exemple; ces gaz se détendent dans le moteur à gaz 3; les gaz ainsi
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détendus à une pression moyenne, 20 kgs/cm2 par exemp&e, sont réchauffés par un brûleur 17, avant d'alimenter la turbine à gaz 19.
La fig. 2 permet de préciser les conditions de fonc- tionnement du. cycle* Cette figure se compose, en réalité, de trois cycles superposés s
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- Le cycle marqué en traits pleins A .Sl 4 .1. 1.: .& h s !: qui représente l'évolution de l'air comprimé à 100 kgo/=Z; - Le cycle dessiné en tirets A & .1. Ii A a, qui représente ce que serait l'évolution de l'air comprimé à 20
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kgejcmZ2 s'il n'était refroidi par l'air comprimé; - Le cycle tracé en pointillé fi !t ± 11 .th qui est le cycle des moteurs à combustion.
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Pour la clarté des choses, sur le diagranm les li- gnes isobares ont été dessinées et la pression correspondante a été indiquée le long de chacune d'elles, par exemple 100 kgs, 80 kgs, etc...
On voit, sur ce diagramme, que dans le premier
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cycle en traits pleins, la compression de l'ait s'effectue en deux étages, le premier de 1 à 10 kgs, marqué par le segments b, correspondant à une compression polytropique se rapprochant de la compression isotherme grâce à une pulvérisation d'eau dans le corpa des compresseurs pendant la compression ( procédé connu);après cette première compression, l'air à 10 kgs subit un complément de refroidissement dans les conditions usuelles;
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ce refroidissement est marqué par l'arc d'isobare b¯ g le deu- xième étage s'effectue suivant la compression polytropique ç bzz grâce encore à l'injection dana le compresseur d'une certaine quantité d'eau pulvérisée, toutefois, tette deuxième compression se rapproche davantage de l'adiabatique, de telle sorte que la
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température finale de l'air comprimé à 100 kgs/cm2 atteint, par
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exemple 150 C. L'arc d'isobare d e correspond an réchauffage de l'air d'abord, éventuellement par Aon passage à travers les enveloppes des moteurs et à travers l'échangeur de température chauffé par les gaz d'échappement des moteurs, ensuite, au moyen
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des brûleurs à 100 kgs/cm2.
L'adiabatiqua .1. t. correspond à la détente du mélange d'air et de gaz dans. les moteurs à Egz condti sant une partie des compresseurs. A partir du point 1 commence le deuxième réchauffage, l'évolution s'effectuant avivant le
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tracé ± R h, A.
Dans le deuxième cycle en tirets, on reconnaît encore une compression en deux étages, d'abord de 1 à 4,4 kge/cm2. & 6, ensuite de 4,4 kgs/cmS à 20 kgs/cm2 j, 1, avec refroidissement intermédiaire en k ±# L'échauffeme#- de l'air à 20 kgs/cm2 a été poussé à titre indicatif de .1 en m, non pas jusqu'à 700 C., température finale après mélange avec le fluide à chauffer
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(point ,g) mais jusqu'à la température qui aérait atteinte sans ce mélange et qui serait, par exemple, de 1200OCe
Dans le troisième cycle en pointillé, on relève, en a p, la pression de suralimentation, soit 3,5 kga/cm2, obtenue dans un compresseur spécial adiabatiquement; on relève de même, en ± ±, la compression adiabatique jusqu'à., par exemple- 80 kgs cm2, à l'intérieur du moteurà combustion interne;
de ± en r, a lieu le réchauffage de l'air et des gaz de la combustion grâce à l'injection du combustible dans le moteur; de r. à s, a lieu la détente adiabatique avec production d'énergie; cette énergie est utilisée pour actionner une partie des compresseurs , comme il a été dit; de .! à p, a lieu l'échappement à travers l' échangeur de température, enfin, de p en a, a lieu détente des gaz d'échappement dans la turbine à gaz.
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Dn diagramme entropique, avec les abaques usuels, on peut aisément déduire la valeur des diverses énergies mises en jeu et le rendement final de l'opération. Toutefois, il faut
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se rappeler que les trois cycles examinés ci-dessus ne sont pas parcourus chacun par une masse égale d'air; en effet, la masse de l'air à 20 kgs/cm2 dépendra de la température finale de cet air après chauffage; elle sera d'autant plus petite que cette température sera elle-même plus élevée; de même la masse de l'air à 3,5 kgs dépendra directement de la puissance qui aura été choisie pour les moteurs à combustion interne.
Parun choix judicieux des divers éléments, il est aisé d'arriver à un régime ou les masses de l'air additionnel à 20 kgs/cmS et de l'air d'alimentation à 3,6 kg@/cm2 ont, par exemple, l'une et l'autre, une valeur sensiblement égale à la moitié de la masse de l'air comprimé à 100 kgs/cm2.
Au point de vue du rendement final, comme à celui de la simplicité du matériel, il est particulièrement intéressant que les compresseurs soient da type à pistons libres, et, plus particulièrement du type oscillateur libre. Il est utile, au point de vue du rendement, d'effectuer la récupération d'une partie de la chaleur perdue par la réfrigération des enveloppes des moteurs à combustion en alimentant ces derniers par de l'eau sous une pression suffisante, soit par exemple 5 kgs/cm2, et en vaporisant une partie de cette eau dans les enveloppes (suivant le dispositif précédemment breveté par la Demanderesses il peut être recommandable, dans certaine cas, au point de vue du rendement final,
d'effectuer le refroidissement des envelop- pes des moteurs à combustion au moyen de l'air comprimé par la machine à 100 kgs/cm2 et/ou à 20 kgs/cm2.
La fig.3 est relative à une installation dans laè quelle les compresseurs sont du type oscillateur libre et où chaque compresseur est muni de deux couronnes motrices, l'une composée d'éléments à combustion interne l'autre d'éléments mus par les gaz à 100 kgd/cm2; chaque groupe compresseur comporte aussi, dans la proportion convenable,des éléments compresseurs à 100 kgs/cm2, à 20 kgs/cm2 et à 3,5 kgs/cm2.
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La fige 3 comporte un ensembled'appareils figurés en traits pleins et correspondant à la description faite plus haut, et un ensemble d'appareils figurés en tirets qui peuvent être éventuellement ajoutés, comme il sera indiquéplus bas.
On y voit le compresseur complexe oscillateur libre 1, la couronne 2 d'éléments moteurs à combustion interna, la cou- ronne 3 d'éléments moteurs mus par les gaz à 100 kgs/cm2, la couronne 4 d'éléments compresseurs à moyenne pression B P, la couronne 6 d'éléments compresseurs à haute pression H P.
Toutes ces couronnes comportent chacune huit éléments disposés comme il est indiqué fig. 4, en ce qui concerne la couronne d'éléments compresseurs B P.
Cette figure a été établie dans l'hypothèse où., à titre d'exemple non limitatif, l'appareil comporte un rotor intérieur unique comportant quatre roues (une par couronne), munies chacune de huit pales, et une enveloppe unique compor- tant quatre couronnes avec chacune huit cellules dans lesquelles oscillent les huit pales correspondantes. Dans la couronne B P, les cellules, 6 et 6' sont affectées à la compression adiabatique de l'air de suralimentation des moteurs à 3,5 kgs/cm2; les cellules 7 et 7' sont affectées à la première compression poly- tropique à 4,4 kgs de l'air additionnel à 20 kgs/cm2; les cel- lules 8, 8', 9 et 9' sont affectées à la première compression polytropique à 10 kgs/cm2 de l'air à 100 kgs/cm2.
Les masses d'air à 3,5 kgs et à 20 kgs n'étant généralement pas exactement égales à la moitié de la masse d'air à 100 kgs, l'ajustement des débits des compresseurs correspondants s'effectue enréglant convenablement les espaces morts respectifs et si cela ne suffit pas,la hauteur radiale des cellules respectives.
La couronne des compresseurs H P comporte, dans des conditions analogues, quatre cellules affectées à la deuxième compression polytropique de l'air additionnel de 4,4 à 20 kgs cm2 et quatre cellules affectées à la deuxième compression
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polytropique de 10 à 100 kgs/cm2 de l'air comprimé principal.
Cela étant précisé, les différents circuits sont disposés comme suit : - L'air comprimé à 10 kgs/cm2 passe de la couronne B P à la couronne H P par le tuyau 10; l'air à 100 kgs/cm2 sort de la couronne H P, passe d'abord dans les chemises des moteurs, puis, par le tuyau 11, passe par l'intérieur des tubes de l'é- changeur 12, en sort par le tuyau 13, passe par le brûleur 14 et est conduit par le tuyau 15 dans la couronne motel ce 3; les gaz détendus à 20 kgs/cm2 sortent de la couronne motrice 3 par le tuyau 16,sont réchauffés par le brûleur 17 et sont conduits par le tuyau 18 à l'admission H P de la turbine à gaz 19;
- L'air comprimé à 4,4 kgs/cm2 sort de la couronne B P par le tuyau 20 qui le conduit à la couronne H P 5, d'où. il ressort à 20 kgs/cm2 par le $uyau 21. Il alimente ensuite le brûleur 17 et se mélange avec les gaz réchauffés par ce brûleur; - L'air comprimé à 3,5 kgs/cm2 sort de la couronne B P par le tuyau 22 qui le conduit à lacouronne des moteurs à combustion 2, il en. ressort sous Corme de gaz d'évacuation par le tuyau 23, qui le conduit à l'échangeur de température 18; il sort de l'échangeur par le tuyau 24 qui le conduit à l'étage convenable de la turbine à gaz 19.
On voit, par ce qui précède, que si la description de l'ensemble paraît complexe, la réalisation pratique ci-dessus décrite est fort simple.
L'installation peut être, si on le juge utile, complé- tée comme suit :
Le brûleur 14, toit en chauffant l'air à la tempéra ture voulue, ce qui n'utilise qu'une faible partie de son oxygè- ne, peut brûleur une quantité plus considérable de combustible et la chaleur supplémentaire produite peut être utilisée dans
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une chaudière "équipression" produisant de la vapeur surchauf- fée à 100 kgs/cm2 qui alimente une turbine à vapeur.
Le brûleur 17, de son coté, peut également fournir une quantité supplémentaire de chaleur et cette chaleur peut être très avantageusement utilisée dans une chaudière "équi- pression" de resurchauffe qui resurchauffe la vapeur après sa détente de 100 kgs/cm2 à 20 kgs/emS dans la turbine à. vapeur.
Les installations correspondantes ont été figurées en tirets : 25 est la chaudière "équipression" principale, 26 est la chaudière "équipression" de resurchauffe, 27 est la turbine à vapeur qui, à titre d'exemple, a été dessinée montée sur un arbre commun avec la turbine à gaz.
L'eau condensée qui sort du condenseur par le tuyau 28 et qui passe par les différents réchauffeurs de soutirage dont il a été figuré seulement deux, 29 et 30, est conduite à la chaudière 25 par le tuyau 31 ; la vapeur surchauffée sort de la chaudière par le tuyau 32 qui la conduità. l'admisse on H P de la turbine à vapeur. La vapeur détendue dans la turbine à vapeur sort de cette dernière par le tuyau 33 qui la conduit à la chaudière de resurchauffe 26; la vapeur resurchauffée est ramenée à la turbine à vapeur par le tuyau 34.
Les gaz de com- bustion de la chaudière principale qui sont à 100 kgs/cm2 sont conduits à la couronne motrice 3 par le tuyau 35; de même, les gaz de combustion de la turbine de resurchauffe sont conduits, par le tuyau 36, à l'admission H P de la turbine à gaz 19.
Enfin, il a été indiqué, à titre de variante, un prélèvement d'eau condensée réchauffée et portée à la pression voulue, par exemple 5 kgs/cm2, prélèvement conduit par le tuyau 37 dans les enveloppes des moteurs à combustion de la couronne 2; la vapeur produite dans les enveloppes des moteurs est ensuit surchauffée en passant dans une enveloppe 38 concentrique au tuyau des gaz d'échappement 23; le tuyau 39 conduit la vapeur
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surchauffée à 5 kgs/cm2 à l'étage correspondant de la turbine à vapeur.
40 et 41 sont les arrivées de combustible aux brû- leurs. Ce combustible peut-être liquide, colloïdal ou solide (charbon pulvérisé).
Comme il a été indiqué pus haut, le refroidissement des enveloppa s de la couronne 2 des moteurs à combustion peut être effectué en faisant circuler dans ces enveloppes l'air comprimé, par exemple l'air à 100 kgs/cm2, avant de le faire passer par le réchauffeur.
La chaleur restant dans les gaz d'échappement de la turbine à gaz peut naturellen.ent être en partie récupérée en échauffant soit de l'air, soit de l'eau., intervenant dans le cycle.
Dans les installations pour la mise en oeuvre du pro- cédé, les divers compresseurs 4, 5 et 5, 4 et moteurs auxiliai- res 2, 3 intervenant dans le cycle sont de préférence groupés en ensembles mécaniques, dont chacun comprend des éléments moteurs à gaz 3, des éléments moteurs à combustion interne 2 et l'ensemble des compresseurs à haute pression 5. à moyenne pres- sion 4 et de suralimentation (basse pression) correspondants, chacun de ces ensembles, avec les brûleurs 14, 17 et échangeurs 12 correspondants, constituant en définitive un générateur de gaz comprimés et chauds pour l'alimentation de la turbina à gaz 19 et éventuellement de la turbine à vapetr 27.