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Perfectionnements apportés aux dispositifs pour le transfert de la chaleur.
L'invention est relative à un dispositif pour le trans- fert de la chaleur, ce dispositif étant propre à transférer la chaleur, depuis un trajet suivi par la chaleur à un autre.
Des exemples de ces dispositifs sont des échangeurs de chaleur comprenant des condenseurs dans les installations avec turbine
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à vapeur et les aubes àe turbine a gax refroidies par un COlP'-1.'lt refroidisseur interne.
Si l' ¯n considère un dispositif pour le tr'nlrt de ,1-T r:-lHtl21Jr, appliq,i:1 ?1 <'<05 ,'Lr:.!s de turbinc 'i ?;, cn '.).>1Jt r:1.J'f-> que divers moes de ra"11.5=tl.c7 i de ces dispositifs ont -f: : proposas et que q.uelq1J.e::; uns J'ent!'e-911.x ont été essayer. Pour
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un mode de réalisation décrit dans le brevet France ? 945.888 cas 168 déposé-le 26 avril 1947, une aube de rotor d'une tur- bine axiale comporte une cavité interne fermée et l'aube s'étend au-delà des limites d'un trajet suivi par un courant de gaz chauds jusque dans uns région dans laquelle elle peut agir comme un moyen pour la dissipation de la chaleur.
La cavité est remplie partiellement avec un fluide refroidisseur et choisie de manière telle que, pendant le fonctionnement de la turbine, il subisse un cycle vaporisation/condensation. On propose de se servir d'un sel de sodium.
Dans'la description de ce brevet on.dit que des diffi- cultés, concernant l'équilibrage du rotor, peuvent se produire, On spécifie qu'ail est nécessaire, non seulement que les aubes du rotor soient parfaitement équilibrées, sans leur remplis- sage avec le fluide refroidisseur, mais que l'on introduise exactement le même poids dans chacune des aubes. Les cavités des aubes doivent également avoir. des dimensions bien précises afin que les centres de'gravité des matières de remplissage, constituées par le liquide refroidsseur., quand elles sont centrifugées vers les extrémités externes des cavités, se trouvent à des distances égales de,l'axe de rotation.
L'invnetion a pour objet un dispositif pour le trans- fert de la'chaleur qui a recours à un cycle vaporisation/conden- sation et qui comprend un corps ten une matière conductrice de la chaleur, ce corps s'étendant, à la fois, sur les deux trajets pour 1,'écoulement de la chaleur, entre lesquels la chaleur doit être transférée, une cavité fermée ménagée dans ledit corps s'étendant d'une manière analogue'et une quantité d'un produit refroidisseur contenu dans la cavité avec un volu- me de l'ordre de 1% de celle-ci ce produit ayant une tempé- rature critique plus élevée que celle que la cavité est destinée à avoir au cours du fonctionnement.
Pendant le fonc-
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tionneent, la circulation du produit refroidisseur dans la cavité est aidée par l'effet de la gravité ou de forces centrifuges.
On a découvert maintenant que les quantités du produit refroidisseur, que l'on supposait jusqu'ici être nécessaires, dans un cycle vaporisation/condensation, pour le transfert de la chaleur, avaient été considérablement surestimées. La surface de la cavité à travers laquelle la chaleur doit être reçue par le produit refroidisseur depuis ledit corps doit seulement être recouverte d'une mince couche de liquide, la partie restante de la cavité étant remplie de vapeur saturée.
Une quantité plus grande est superflue et peut être nuisible à Inefficacité du fonctionnement dudispositif. Avec la quan- tité du produit refroidisseur que l'on propose maintenant, la condensation, sur la paroi de la cavité par laquelle la chaleur s'écoule depuis le produit refroidisseur, peut se faire "par gouttes" et on sait que la condensation par gouttes est de beaucoup préférable à la condensation par couche.
Dans une turbine à gaz, établie conformément à l'inven tion, le transfert de la chaleur, depuis les parties de l'aube exposées au fluide actif chaud, jusqu'à la périphérie du rotor, peut être suivi d'un transfert de chaleur supplémentaire à l'aide de pièces tubulaires logées dans le corps du rotor, à l'aide desquelles la chaleur est transférée à une région centrale du rotor. Un dispositif ae condensation de vapeur d'eau, ayant des conduits adjacents dans lesquels circulent respectivement de la vapeur et de l'eau, peut être agencé de Manière telle que les tubes contenant le produit refroidis- seur traversent la cloison établie entre les conduits et en travers de ces conduits.
En général, on croit qu'il n'est pas nécessaire d'ex- clure l'air hors de la cavité. On doit veiller toute.fois à ce qu la cavité soit épanche aprs que le produit refroidjsseur a
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été introduit dans celle-ci, et wie méthode satisfaisante est décrite ci-dessous.
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Les dessins Ci-lli1.ÜeX'-'S montrent., à titre d'E.-':Eftî;3lç.., certains modes de réalisation de l'invention.
La fige 1 contre, schématiquement, le principe de fonctionnement qui est à la vase de l'invention, cette figure étant utilisée pour décrire ce principe.
La fig. 2 montre un mode de réalisation de l'invention avec condensation de vapeur d'eau.
La fig. 3 montre un mode de réalisation de l'invnetion avec turbine à gaz.
La fig. 4 montre une méthode suivant laquelle la cavit interne du dispositif pour le transfert de'la chaleur peut être rendue étanche: ,
La fige .1 montre les trajets 10 et 17¯ suivis par deux
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. .;. " 1 " . . ' .f,:t..id esg le' prej1ir ét.nt' 'supposé: être uii,.fluide chaud et 'i L .. le deuxième un fluide 'fr?i.. Dru\s ces deux chemins est "1" 1'1, " établi, en travers, d.e, C111C,7.y un. tbe. seriné l2, autour de f' 1 l ,.' .... la face externe duquel, passent 'les deux .courants. La paroi de la partie supérieure du tube là, comme, visible ',sur. la zig, l, a évide::l,lent une tenpérature plus élevée que celle de la par- tie inférieure du tube.
Dans le tube'.est logée une 'quantité réduite, par exemple environ 1% du volume entouré, d'un liquide refroidisseur. La quantité exacte est déterminée en tenant compte de l'étendue de la surface par laquelle la chaleur est repue par le liquide refroidisseur et du 'volume total de
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la cavité entourée. Au cours au fOYlcti')nne:.1ent, le liquide refroidisseur est sounis à un cycle vaporisation/condensation et le condensât fermé sur les faces internes de la partie
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inférieure de la cavité peut se .:"'epl::u6:' ': s)::is cette partie, 1-' . Il comme 1.nGiquÉ par '1 f']' h l.
J,a partie , comme indique par les flèches 15 vers 1& partie supri'JL1re de la cavité, pour forcer dans '.;-::ll'3-e:i une couche due
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liquide 14. Exception faite des gouttelettes du condensat et de J.a couche liquide, la partie restante de l'espace est remplie avec de la vapeur saturée et avec l'air qui aurait pu subsister dans la cavité quand le liquide refroidisseur est introduit dans celle-ci. La chaleur, transmise du courant de fluide 10 à travers les parois du tube 12 à la couche de li- quide 14, provoque l'évaporation de cette dernière, et la vapeur s'écoule vers la partie inférieure du tube comme indique par les flèches 15.
Afin d'obtenir, d'une manière'satisfaisante., cette circulation désirée, on fait tourner le tube]2 autour d'un axe qui se trouve en-dessous de la fige l, tel que montré, de sorte que l'écoulement du condensat suivant les flèches 13 est favorisé par l'effet centrifuge.
Pour que le cycle vaporisation/condensation puisse avoi lieu, il est nécessaire que la température de fonctionnement dans la cavité soit inférieure à la température critique du liquide refroidisseur qu'elle contient. Par exemple, si le liquide refroidisseur est de l'eau, la température interne maximum, qui peut être permise dans le tube 12, est de l'ordre de 370 . Si l'on admet qu'une chute de température d'environ 55 ait lieu dans la paroi de la partie supérieure du tube, on obtient que la face externe du tube atteigne environ 450 .
Si la matière, dont cn s'est servi pour former le tube 12 pour le transfert de la chaleur, peut résister à des températures plus élevées que 450 , on peut utiliser un liquide refroidisseur différent avec une température critique plus élevée. Par exemple, on peut utiliser du mercure mais on doit veiller alors à ce qu'on soit certain que la face interne du tube,à partir de l'quelle la mince couche est incorporée, soit conve- nablement " mouillée ".
La fige 2 montre un mode de réalisation de l'invention avec un condenseur de vapeur dans lequel plusieurs tubes 12, pour le transfert de la chaleur, s'étendent radialement à
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partir d'une paroi cyclindrique 17 reliée, par les tubes eux-
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rê..es ou par d'autres moyens, à un arbre rotatif 16., Sur la face interne de la parole de l'eau de refroidissement s'écoule autour des tubes 12 et une autre paroi 18, écartée des extrémités libres des tubes 12, forme avec la paroi 17 un conduit extérieur dans lequel passe la vapeur d'eau. Le principe de fonctionnement, décrit plus haut à l'aide de la fig. l, est utilisé à nouveau.
La chaleur -est transférée depuis la vapeur par les parois des tubes 12 à la couche de liquide refroidisseur qui se trouve sur'la face interne de l'extré-
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mité externe de ces tubés. De là le liquide"passe, à'14état de vapeur à condenser, sur la.face'interne des tubes à leurs extrémités internes.
La chaleur de condensation est cédée au
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' courant d'eau..Dans ce cas, la ,vapéur d.' eaû se condense sur les faces externes des tubes 18,..et une<condensation'par j ,,, ' ,, , , ,, j, ,iÎ gouttes peut également être'ODtenue en cet endroit.,, domme .1-larbré 18, lés, 'tubes 12 et 1, ï p.ro3.' ,I, , tournent e.semble= , "''- '' " ;,,< ' 1' effet .centrifuge projette es, ou'tte, de ,ori,àérsat, formées sur la face externe des tubes 12, sur'la face interne de la paroi 18 d'où elles peuvent être évacuées... ' '
La fig. 3 montre une forme schématique de Inapplication de l'invention à une turbine à gaz.
Dans ce cas., les aubes 19 du'rotor de la tubbine comportent des cavités internes'et sont agencées conformément à l'invention. En outre, d'autres tubes
12, pour le transfert de la chaleur, traversent le rotor 20 et se'prolongent jusque d'ans un'conduit central 21 ménagé dans le rotor. Le liquide refroidisseur passe par le conduit central
21. Par exemple, de l'air peut être prélevé au compresseur et peut être soufflé dans ce conduit et ceci constitue le chemin suivi par le fluide pour l'extraction de la chaleur dans l'en- semble de la turbine.
Le chaleur s'écoule, depuis les parties utiles des aubes 19 dans la jante du rotor, par le cycle vapo-
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risàtàon/con4ensation qui se produit dans l'aube de la turbine
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et la jante est elle- même refroidie, à son tour, par la répéti- ticn du cycle dans les tubes 12. Dans certains cas, il peut ne par être nécessaire d'incorporer les tubes 12 dans le rotor car une extraction satisfaisante de la chaleur, depuis la jante du rotor, peut être obtenue par d'autres moyens.
La fig. 4 montre un moyen simple et efficace par lequel la cavité d'un tube 12 peut être fermée d'une manière étanche après que :Le produit refroidisseur a été introduit dans celle-ci, L'extrémité du tube comporte un trou à deux étages, la partie interne 22 du trou ayant un diamètre plus petit que celui de la partie externe 23 qui est taraudée. Une bille en acier 24 est fixée dans la partie la plus grande du trou et prend appui sur l'extrémité de la partie du''trou dont le diamètre est le plus petit. La bille 24 est serrée fortement contre le siège en vissant à fond un bouchon fileté 25. Ce bouchon est maintenu, en permanence, en place par soudage comme indiqué en 26.
Cette manière de boucher le tube écarte les difficultés que l'on rencontre'quand on essaye de boucher le tube uniquement par soudage. Le soudage, utilise,seul, crée le'danger de la perte de liquide par vaporisation, au cours de l'opération de soudage, et il peut se produire des défauts, par exemple la présence de trous de fuite minuscules dans la soudure, elle-même.
Pour l'application de l'invention à une turbine à gaz, on peut avantageusement utiliser de l'eau, comme liquide refroidisseur, malgré que sa température critique ne soit pas particulièrement élevée. Par exemple, on a noté une tempé- rature de 425 pour la surface externe alors que les aubes peuvent très bien avoir une température supérieure de 225 à celle-ci. Dans ce cas, le fluide refroidisseur, contenu dans l'aube, extrait plus de chaleur que nécessaire hors du fluide actif de la turbine de sorte que la turbine est surrefroidie dans ce sens.
L'effet résultant sur la performance thermodyna-
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. '1).e ce -La turbiue peut ne pas être sérieux, mais si on 3.5 d@sire, on peut utiliser un fluide refroidisseur ayant une température critique plus élevée, par exemple des températures d'ébullition de 1'ordre d'au moins 595 peuvent être obtenues.
Il existe en outre ce point additionnel que lorsqu'on doit utiliser pour les aubes une matière de qualité réduite, pour des raisons d'économie ou pour pouvoir conserver des matières de valeur stratégique, l'eau peut être préférée comme fluide refroidisseur.
L'invention permet d'obtenir plusieurs effets avantageux Par exemple, comparativement au dispositif de refroidissement par l'eau (système Scnmidt) d'une turbine à gaz, on supprime les risques d'une défaillance à cause du bouchage de petits canaux. Comme le dispositif pour le transfert de la chaleur ne contient qu'une très petite quantité de liquide refroidisseur la pressicn hydrostatique est moindre et ceci est important pour l'application aune turbine à gaz car on réduit ainsi la sollicitation supplémentaire de l'embase de l'aube due à la présence du liquide refroidisseur.
Si les moyens d'étanchéité de l'aube creuse se trouvent à l'extrémité de l'aube, ceci peut être obtenu sans qu'il se produise la charge centrifuge élevée ainsi que cela se produirait si l'aube fonctionnait avec une cavité remplie ou à moitié remplie avec un fluide refroidisseur. De plus, pour les applications à des turbines à gaz, on peut admettre que des problèmes supplémentaires ne se présentent pas par l'effet de forces déséquilibrées quand l'invention est utilisée.
Le seul -échangeur de chaleur, décrit plus haut est un condenseur ae vapeur, mais il est bien entendu que l'invention est tout aussi bien applicable à ces -:,:,des de réalisation
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r")11!' lesquels le .u2n::;fert de Ü- C7'?l wt?v doit se l'aire entre : 1-:-: flun-2S -¯ .F:ri2lç C¯5sï = à>ms les scl,-;t'r3 r1a chaleur .":' 1 . -1--::11atic,rs avec 1-rsiiie à 1;8Z.