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Cycle de fonctionnement d'une installation de force motrice thermique.
L'invention concerne un cycle de fonctionnement d'une installation de force motrice thermique, dans laquelle un fluide moteur circule en circuit fermé par rapport à l'atmos- phère et, en partant de la pression la plus forte et de la tem- pérature la plus élevée du cycle, se détend en fournissant du travail à la pression la plus faible du cycle, puis cède de la chaleur.
Elle consiste à faire subir au fluide moteur, auqu une seconde quantité de chaleur a été soustraite, une com- pression intermédiaire à une pression intermédiaire, plus for- te que la pression la plus faible et plus faible que la plus forte pression du cycle, à soustraire au fluide moteur, au- quel une troisième quantité de chaleur a été soustraite, la quantité de chaleur qui doit être dissipée à l'extérieur au moyen d'un fluide de refroidissement, de façon à faire passer le fluide moteur par un état dans le-quel la chaleur spécifi-
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que déterminée à pression constante est au moins deux fois plus grande que pendant sa compression intermédiaire, et à lui faire reprendre ensuite par une nouvelle compression et un apport de chaleur la pression la plus forte et la tempéra- ture la plus élevée du cycle.
Il est particulièrement avantageux de recéder au fluide moteur une fois recomprimé au moins une partie de la quantité de chaleur soustraite au cir-cuit la deuxième et la troisième fois, l'apport de chaleur étant terminé ensuite en faisant re- venir la chaleur soustraite la première fois et enfin par l'ap- port de chaleur fournie par un fluide de chauffage.
La compression intermédiaire du fluide moteur ainsi que la troisième soustraction de chaleur peuvent s'effectuer en plusieurs étages, de façon à faire suivre chacun de ces étages de compression intermédiaire d'une partie de la troisième sous- traction de chaleur.
Il convient de choisir à titre de fluide moteur un corps, qui pour se vaporiser à la température Kelvin du fluide de re- froidissement choisi a besoin d'une quantité de chaleur plus faible que celle qui est nécessaire pour le surchauffer à une température deux fois plus élevée et à la même pression.
Si l'installation doit fournir non seulement de la force motrice, mais encore de la chaleur, on peut faire en sorte d'ajouter à la chaleur soustraite au circuit par le fluide de refroidissement une partie au moins de la quantité de chaleur soustraite au circuit la deuxième, la troisième et éventuelle- ment la première fois, et de transmettre cette quantité de cha- leur à l'extérieur sous forme de production de chaleur, tout en maintenant constante la force motrice produite en augmentant la quantité de chaleur fournie par le fluide de chauffage.
Sur les dessins ci-joints qui représentent des exemples de réalisation du cycle suivant l'invention et rendent en même temps l'invention plus facile à comprendre :
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La fig. 1 représente un schéma d'une installation fonc- tionnant d'après le cycle suivant l'invention avec compression intermédiaire à un étage,
La fig. 2 représente le diagramme d'entropie-température correspondant à l'installation de la fig. 1.
La fig. 3 représente un schéma d'une installation fonc- tionnant d'après le cycle suivant l'invention avec compres- sion à deux étages et la fige 4 représente le diagramme d'entropie-température correspondant à l'installation de la fig. 3.
Le fluide moteur de l'installation des fig. 1 et 2 se détend en partant de l'état 13, c'est--dire de la pression la plus forte et de la température la plus élevée du cycle en fournissant du travail dans la turbine 1, suivant la courbe 13-14. Il cède de la chaleur suivant l'isobare 14, 15, 16 de la pression inférieure du cycle, la première soustraction de chaleur s'effectuant suivant la courbe 14-15 dans un échangeur de chaleur 2, la seconde suivant la courbe 15-16 dans un échangeur de chaleur 3.
Le fluide moteur subit une compression dans le compresseur 4 suivant la courbe 16-17 à une pression intermédiaire, dont l'isobare est représentée par la courbe 17-18-19-20 et suivant laquelle il cède de nouveau de la cha- leur, la troisième soustraction de chaleur s'effectuant suivant la courbe 17-18 dans l'échangeur de chaleur 5, et la chaleur étant cédée au fluide de refroidissement dans le réfrigérant 6 suivant la courbe 18 jusqu'au point 20 en passant par le point 19. Le fluide moteur subit une nouvelle compression suivant la courbe 20-21 dans un compresseur 7 (ou une pompe) à la pression supérieure du cycle, dont l'isobare est représentée par la courbe 21-22-23-13.
Le fluide moteur reçoit de la cha- leur suivant cette isobare, à savoir suivant la courbe 21-22 la chaleur qui lui a été soustraite antérieurement suivant les courbes 15-16 et 17-18 dans les échangeurs de chaleur 3 et 5, suivant la courbe 22-23 la chaleur qui lui a été soustraite antérieurement suivant la courbe 14-15 dans l'échangeur de
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chaleur 2. Enfin, le fluide moteur reçoit suivant la courbe 23-13 la chaleur qui doit lui être cédée de l'extérieur du fluide de chauffage dans un surchauffeur 8, qui est chauffé par un dispositif de chauffage 19. L'air comburant du surchauffeur 8 subit un préchauffage dans un échangeur de chaleur 11 et est mis en circulation par une soufflante 10.
La turbine 1, le com- presseur intermédiaire 4 et le surcompresseur 7 peuvent être accouplés entre eux, comme l'indique la fig. 1, et l'excès de puissance de la turbine 1 peut être transmis sous forme de puis sance utile à une machine utilisatrice 12.
La totalité de la chaleur à soustraire au circuit est ainsi prélevée suivant la courbe 18-19-20 et par suite à peu près à la température la plus basse dont on dispose, c'est-à- dire à la température du fluide de refroidissement choisi. La totalité de la quantité de chaleur fournie par le fluide de chauffage et à céder au circuit arrive suivant la courbe 23-13 et, par suite, dans la région des températures les plus éle- vées existant dans le circuit. Le rendement thermo-dynamique du cycle est ainsi particulièrement satisfaisant. Dans le cas où la complication qui en résulte est acceptable, la détente à un étage suivant la courbe 13-1 peut être remplacée d'une manière connue par une détente à plusieurs étages avec réchauf- fage intermédiaire en améliorant ainsi encore le rendement thermodynamique.
Il est important, au moment où le fluide moteur reçoit de nouveau les quantités de chaleur qui lui ont été soustraites, la deuxième fois suivant la courbe 15-16 et la troisième fois suivant la courbe 17-18, cette restitution s'effectuant sui- vant la courbe 21-22, que la transmission s'effectue avec une chute de température aussi faible que possible, sans quoi des pertes thermodynamiques sensibles se produiraient. Il est né- cessaire à cet effet de satisfaire dans la plus large mesure possible aux conditions suivantes : soustractions de cha- leur ensemble, c'est-à-dire la seconde (15-16) et la troisiè- me (17-18) correspondent à un seul apport de chaleur (21-22).
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La "chaleur spécifique à pression constante" du fluide moteur doit donc être à peu près deux fois plus grande suivant la courbe 21-22 que suivant les courbes 15-16 et 17-18, pour que le fluide moteur soit susceptible d'absorber la chaleur sous- traite, sans que pendant qu'il l'absorbe ses températures soien: sensiblement différentes de celles par lesquelles il passe pendant les seconde et troisième soustractions de chaleur.
La température au point 22 ne doit donc être que légèrement in- férieure à celle des points 15 et 17 et de même la température au point 21 ne doit être que légèrement inférieure à celle des ppints 16 et 18.
De plus il est nécessaire que le fluide moteur puisse de toute façon absorber suivant la courbe 21-22 les quantités de chaleur des secondée (15-16) et troisième (17-18) soustrac- tions de chaleur. Inversement il est nécessaire que les quanti- tés de chaleur prélevées pendant les seconde et troisième sous- tractions de chaleur soient suffisantes pour fournir au fluide .moteur la quantité de chaleur qu'il doit absorber suivant la courbe 21-22, sans quoi le point 22 se rapprocherait du point 21 et sa température deviendrait sensiblement plus basse que celle des points 15 et 17 en donnant lieu à de fortes pertes thermodynamiques.
La compression intermédiaire 16-17 est im- portante pour éviter cette éventualité, car elle a pour effet d'augmenter la quantité de chaleur dont on dispose entre les points 15 et 18 pour la transmission suivant la courbe 21-22, dans des conditions qui permettent de rendre la température au point 22 suffisamment voisine de celle des points 15 et 17. De plus, étant donné que la valeur et la position sur le diagramme de cette compression intermédiaire peuvent être choisies li- brement, elle permet d'adapter l'installation d'une manière appropriée aux conditions régnant à chaque instant.
De plus il y a lieu de remarquer que les valeurs de la température de la portion passant par les points 18, 19 et 20 de l'isobare de la pression intermédiaire dépendent de la température du flui de de refroidissement choisi et que par suite il n'est pas fa-
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cile de diminuer la quantité de chaleur à faire arriver entre les points 21 et 22 en élevait arbitrairement la valeur de la température de la courbe 18-19-20, c'est--dire en la rappro- chant du point critique K, c'est-à-dire du point le plus élevé de la courbe limité tracée, ou même en donnant à cette tempé- rature une valeur supérieure à ce point critique. Si le fluide de refroidissement consiste par exemple en eau prise sur place, sa température dans l'Océan glacial sera voisine de 0 C et dans la mer Rouge d'environ 30 C.
Au contraire, si on utilise les chaleurs perdues du cycle représenté au chauffage d'un autre cycle fonctionnant à un niveau de température plus bas, le fluide moteur de ce cycle à température plus basse sert de fluide de refroidissement et les températures du fluide de re- froidissement sont alors sensiblement plus élevées.
Il convient donc, pour obtenir un rendement aussi satis- faisant que possible, de choisir aussi un fluide moteur, qui en particulier au point de vue de la forme et de la position en hauteur de sa courbe limite, satisfasse autant que possible aux conditions précitées, étant entendu qu'il suffit que cet- te adaptation soit au moins approximative.
En résumé, ces conditions sont suffisamment remplies, en disposant le cycle de façon à faire passer le fluide moteur par un état dans lequel la chaleur spécifique déterminée sous pression constante est au moins deux fois plus grande que pen- dant sa compression intermédiaire et à lui faire reprendre en- suite, par une nouvelle compression et par un apport de chaleur, la pression la plus forte et la température la plus élevée du cycle. On peut encore améliorer le cycle davantage en choisis- sant en outre à titre de fluide moteur un corps qui pour se va- poriser à la température Kelvin du fluide de refroidissement choisi a besoin d'une quantité de chaleur plus faible que celle qui est nécessaire pour le surchauffer à une température deux fois plus élevée et à la même pression.
Si le fluide de refroi- dissement est de l'eau prise sur place, le fluide moteur à en- visager peut être par exemple l'anhydride carbonique.
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L'installation des fig. 3 et 4 diffère de celle des fig. 1 et 2 du fait que la compression intermédiaire du fluide moteur ainsi que la troisième soustraction de chaleur s'effec- tuent en plusieurs étages, de façon à faire suivre chazun de ces étages de compression intermédiaire par une partie de la troisième soustraction de chaleur.
La première soustraction de chaleur s'effectue comme précédemment suivant la courbe 37-38 et la seconde suivant la courbe 38-40. Au contraire la troisième soustraction se partage en deux parties, dont la première 41-44 fait suite au premier étage de compression intermédiaire 40-41, qui s'effectue dans un compresseur 26 et la seconde 45-47 fait suite au second étage 44-45 de la compression intermédiaire qui s'effectue dans un compresseur 30. Trois soustractions de chaleur s'effectuent donc ainsi simultanément suivant les courbes 39-40, 42-43, et 45-46 dans l'intervalle de température limité par les deux isothermes en pointillé tracées sur la fig. 4.
On obtient donc pour ces trois soustractions de chaleur, les pertes les plus faibles au moment de la restitution, si la "chaleur spécifique à pression constante" du fluide moteur est au moins égale dans une partie de la courbe 50-51 au triple environ de celle que possède le fluide moteur pendant les trois soustractions de cha leur précitées. Cette compression intermédiaire à deux étages peut donc être avantageuse dans certaines conditions. Un autre avantage de cette compression à deux étages consiste dans les possibilités d'adaptation qu'elle procure à des conditions don- nées. Ainsi que l'indiquent les fig. 3 et 4 par exemple, les températures aux points 38 et 41 sont plus élevées qu'au point 45, et de même celle du point 40 peut être choisie plus élevée qu'au point 44.
Il en résulte que deux soustractions de chaleur doivent être transmises simultanément au-dessus de l'isotherme supérieure en pointillé, trois soustractions de chaleur simulta- nément entre ces deux isothermes et enfin de nouveau deux sous- tractions de chaleur au-dessous de l'isotherme inférieure.
Il
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est possible dans ces conditions de faire correspondre les soustractions de chaleur aux courbures de la courbe 50-51, dans lesquelles en partant du point 50, l'inclinaison étant en- core forte au commencement la "chaleur spécifique à pression constante" est encore faible et correspond par exemple à une soustraction de chaleur simple, puis, la courbe 50-51 s'apla- tissant, peut devenir égale au double environ de sa valeur dans la région des compressions intermédiaires, ce qui correspond à la soustraction de chaleur double, simultanée, précitée, puis étant donné que la courbe 50-51 continue à s'aplatir, la chaleur spécifique devient triple et par suite correspond à une soustraction de chaleur triple, et xxx enfin l'inclinaison redevenant plus forte, correspond de nouveau à une soustraction de chaleur double.
Finalement l'inclinaison de la courbe 50-51 redevient si grande que la soustraction de chaleur unique qui s'effectue au-dessus du point 38 est suffisante pour compenser la quantité de chaleur absorbée au-dessus du point 51 et évi- ter ainsi les grandes différences de température et les pertes thermodynamiques qui en résultent.
Sur la fig. 3 un échangeur de chaleur qui correspond à ce- lui qui a été décrit plus haut, est représenté schématiquement et dont les faisceaux tubulaires suivants provoquent les sous- tractions de chaleur suivantes; le faisceau 2 provoque la soustraction 37-38; le faisceau 24 la soustraction 38-39 ; faisceau 25 la soustraction 39--0; le faisceau 27 la soustraction 41-42; le faisceau 28 la sous- traction 42-43; le faisceau 29 la soustractipn 43-44; le fais- ceau 31 la soustraction 45-46 et les faisceaux 32 et 33 succes- sivement la soustraction 46-47. Enfin étant donné que le point 47 n'est que légèrement plus haut que le point 50, aucune re- transmission de chaleur n'est plus faisable au-dessous du point 47.
Les divers faisceaux tubulaires sont disposés ainsi qu'il ressort de la fig. 3 de façon à faire circuler autour des fais- ceaux tubulaires à même température parallèles entre eux le flui- de moteur comprimé par le dernier compresseur 35 (ou la pompe)
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à la pression supérieure du cycle.