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Cette invention concerne des installation;? de production de force motrice et elle est particulièrement applicable aux installations où de grandes quantités de chaleur à des température relativement basses sont disponibles pour chauffer et vaporiser de 7.'eau ou un autre linuidc et éventuellement conférer un certain degré de surchauffe à la. vapeur produite.
Des sources de chaleur de ce genre se rencontrent dans divers fours, Mais l'invention présente une importance spéciale dans le cas des réacteurs nucléaires où les températures du réfrigérant pont limitées à des valeurs relativement barres.
Un but de l'invention est de procurer des installations de production de force motrice possédant des dispositif.*: avantageux pour effectuer le chauffage de la vapeur.
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La présente invention concerne une installation de
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production de f0r(', motrice comprenant un générateur de vapeur ÙCf-ti.1' 2 fournir on la vû.ilE317.r [' n:
18 turbine et des dispositifs de chauffe de la vapeur pour chauffer la vapeur qui se détend dans la turbine, où des dispositifs de combustion adjoints au dispositif de production de chaleur du générateur de vapeur et destinés à fonctionner sous une pression superatmosphérique sont agencés pour produire des gaz de combustion et envoyer les gaz cornue fluide de chauffe au dispositif de chauffe de la vapeur et
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cor.me fluide moteur 1 une turbine à gaz propre à récupérer l'énergie contenue dans les gaz de combustion.
L'invention concerne aussi une installation de produc-' tion de force motrice, possédant un réacteur nucléaire, un dispositif pour faire circuler un agent fluide en vue d'effectuer le refroi- dissement du répéteur et le chauffage du générateur de vapeur, une turbine, raccordée de façon à recevoir la vapeur du générateur de vapeur, des dispositifs de chauffe de la vapeur pour chauffer de la vapeur en vue de sa détente dans la turbine, des dispositifs de combustion destinas à fonctionner sous une pression superatmosphérioue et agencés pour fournir les gaz de combustion comme fluide de chauffe au dispositif de chauffage de la vapeur à une pression de
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Dlurj f?l1rS af;
T110f,11hpJ'''f. au moins pt comme fluide moteur fi une turbine . fps destinée à récupérer l'énergie contenue dans les gaz de combustion.
L'invention offre de nombreux avantages. Ainsi, la surchauffe ou/et la resurchauffe effectuées par les gaz de combustion
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peuvent être réglée tout a fait indépendamment de la charge fur le tlnra.tcur de vttl1f?llr, do telle sorte que les difficultés bien connues rencontrées pour maintenir la surchauffe et la l'esurchnuffe au" faibles charbon dans des inrt.nl lationp conventionnelles peuvent t1.( r iuitrs ou éliminées; 7 rr>nrlr>r1nllt: total de 1 installation (1(. production rln force 11o+r1cr:
est t101:ab7.f-.thCrlt au''i(nt''" .râce 7.'ni,il.i.^al;tom r:;tr.Arl<1ll1rlt pf'flcl1cc du combustible fourni aux dirpo'"!
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tifs de combustions l'emploi de ces dispositifs de combustion
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conjointement avec 1.(> ,11::1')081 tif de chauffe de la V8-0E;ur permet (, 3.U,:;l:lenter le nombre de réchauffés et, nar COl19'/",uent de se rapprocher davantage de l'idéal de la réchauffe' contenue;
lorscu'
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une seule surchauffe est effectuée, le resurchauffeur -o-3iit être placé au point le plus favorable du cycle thermique, grâce à ce que les difficultés dues aux pertes de pression et à -l'installation de tuyauteries sont éliminées ou considérablement réduites nar la possibilité de placer le dispositif de chauffe de la va.peur à proximité immédiate de la turbine associée; lors de la mise en marche il n'y a pas de danger d'un excès de 'chauffe du resurchauffeur @ parce qu'il n'est pas nécessaire de faire fonctionner les dispositif de combustion rendant la mise en marche;
la turbine gaz peut être employée comme une source de force motrice auxiliaire par exemple, dans le cas de la mise hors service de l'alternateur actionné par la turbine principale alimentée de fluide moteur par le générateur de vapeur.
. - L'invention sera décrite ci-après, à titre d'exemple, avec référence aux dessins schématiques annexer, dans lesquels :
Fig. 1 montre une application de 1' invention une installation de production de force motrice de -foriiie convention- nelle, et
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F3¯.^,'. 2 rentre une application de l'invention -une installation de force motrice incorporant un réacteur nucléaire.
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Dur la fig. z l'installation principale de production d'énergie comprend essentiellement un générateur de vapeur 1
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et une turbine l vapeur 2.
Le de vapeur comprend 'Une chatabre do combustion. 3 agc-ricoo pour être chauffée au moyen (l'un combustible ftppr011I'1(, pur un dispositif do brûleurs 3', 3 on narois (Je cette chambre f'tant garnies, n'uno i.uinicro connue, de tube vaporisants. Les gaz de Coinl7ct;7 t.f.on quittant, la chambre 3 passent dans un parcours latéral lf contenant un surchauffeur 5 et ensuite dans un parcours descendant 6 contenant un éconor'iscur z7, L'eau d'allmonti1-
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tion fournie par une pompe d'alimentation 8, est introduite, après avoir passé par l'économiseur 7 dans un corps cylindrique d'eau et de vapeur 9 qui envoie l'eau dans les tubes vaporisants par des colonnes ou tubes de descente, de la manière usuelle.
La vapeur saturée est surchauffée dans le surchauffeur pour être envoyée par une canalisation de vapeur 10 à la turbine 2 qui comprend un étage haute pression 11 et un étage à basse pression 12. La vapeur d'échappement de l'étage à basse pression 12 est déchargée dans un condenseur 13, d'où le condensat passe à la pompe d'alimentation 8.
Entre les deux étages 11 et 12 de la turbine, et à proximité immédiate de celle-ci se trouve un resurchauffeur 15. Le fluide de chauffe pour le resurchauffeur 15 est fourni par une batterie
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de compresseurs 16 du tyrye à piston libre qui refoule par exemple les gaz à une pression absolue de ouatre atmosphères et une tempé- rature de ,25 C. En service, ces gaz quittent le resurchauffeur 15 à une pression pratiquement inchangée et à une température de 300 C,-par exemple p cette pression et cette température dans une turbine à gaz 17 dens laquelle ils se détendent et pont refroidis
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à une température de 160 C, par exemple, les gaz étant alors déchars dans un conduit 18 filant à la cheminée de l'installation.
Des calculs montrent que l'énergie du combustible brûlé dans le cycle des gaz est utiliser avec un rendement incontestable-
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ment f"l1DI'leur à 40,. tn dehors de cet avantage du rendement, il y a lieu de remarquer que la température désirée de la réchauffe oout être assurer- N0m.e à der taux de vanorj.ni;2on très bas. D'autre part, la température de réchauffe peut-être réglée sans aucune difficulté lorsque la charge de la turbine à vaneur varie os aeU0mlt la mire fin marche de celle-ci. , Le rU11rch811ffl"llr peut (\+1'" 'llacr5 à proxil>lit immédiate, par exemple r-n dessous de la turbin i vapeur, de toile sorte au la tuyauterie n0c<':Jsa1.1'(:! 10rf1Pu'un resurchauffeur est monté à
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l'intérieur d'un générateur de vapeur est éliminée.
La réchauffe peut être effectuée à la pression la plus favorable, vu que les pertes de pression dans la tuyauterie allant au resurchauffeur et venant du-resurchauffeur ne sont plus à craindre. De même, plusieurs resurchauffeurs peuvent être prévus pour la resurchauffe à différents stades du cycle de vapeur, de telle sorte qu'on se rapproche davantage de l'idéal de la réchauffe continue.
Si au lieu d'employer les gaz fournis par la batterie de compresseurs à pistons libres directement comme fluide de chauffe on désire utiliser le fluide de chauffe à une température plus élevée, les gaz peuvent être envoyés comme air comburant dans une chambre de combustion où un combustible approprié peut être brûlé.
Il doit être entendu aussi que la compression, dans le cycle des gaz, peut être effectué par un compresseur d'un type approprié quel connue.
Sur la fig. 2, un agent fluide sous la forme d'un gaz, par exemple de l'anhydride carbonique, est mis en circulation par un appareil de circulation à souffleries ou pompes 101 actionnées par une turbine à gaz 71, comme réfrigérant dans un réacteur nucléaire 100 et comme fluide de chauffe dans un générateur de vaoeur comprenant quatre échangeurs de chaleur ou chaudière 25, 26, 27 et 28 et un échangeur de chaleur ou économiseur 30.
Les échangeurs de chaleur 25,26, 27,28 et 30 sont couplésen série dans un parcours de fluide de chauffe et les chaudières 25, 26, ?7 et 28, qui sont traversées successivement par le fluide de chauffe, produisent de la vapeur à des pressions progressivement décroissantes, On comprendra que chaque chaudière produit de la vapeur n une nression qui correspond à la tempe rature {le la sortie des gaz de la chaudière. Il en résulta que môme en ompolyant un fluide do . chauffe de température relativement basse, par exemple de l'ordre de 350 à 400 C, on peut obtenir de la vapeur à une pression élevée avec les avantages afférents à non utilisation. Comme c'est décrit ci-après,
les chaudières sont coupléer. en série, en
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ce qui concerne l'alimentation en eau, chaque chaudière de pression croissante successiv- recevant une proportion de l'eau venant de
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la chaudière précédente nref1sion nius faible. Dans la disposition particulière représentée, le fluide ayant la température la plus élevée pénètre dans la chaudière 25 par un conduit 21 partant du réacteur nucléaire et passe de la chaudière 25 à la chaudière 26, le fluide pénétrant dans la chaudière 26 étant rejoint par le fluide chaud qui est aliéné du réacteur nucléaire par un conduit 22 et se trouve à une température quelque neu inférieurecelle du fluide amené par le conduit 21.
Le courant de fluide combiné venant des conduits 21 et 22 passe en série dans les chaudières 26, 27 et 28. Une partie du fluide passe de la chaudière 28 dans
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r'économiseur 0 et est ramenée au réacteur nucléaire 100 par un conduit 24. Le refi-,:nt du fluide décha.'.. de la chaudière 28 est rariené au réacteur nucléaire par un conduit 23.
La chaudière 25, dans laquelle le fluide ayant la température la plus élevée, par exemple 355 C, passe, produit de la vapeur à une pression élevée, par exemple 70 atmosphères.
Les gaz sont refroidis dans la chaudière 25 une température
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approxinati veulent égale à celle des gaz chauds amenés par le con- duit 22, nar exemple 305 C, t, mélangés à ces gaz, passent successive lent dans les chaudières 26, 27 et 28 qui peuvent, par
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exemple, produire respec*i Veinent de la vapeur a ?7 atmosphères, 12 at.f!or-r11èrE's et 2,5 aMorphres.' L'(cono)1iseur 30 assure le rel'roÜ,i.ss'.:'!>:f1t h une tUlf)0rHbure :)1'(11,5terlli!l6e, 70 C nar exemple, ri 'une fra('+i.o x' d'i,r:line eu fluide qui ouitte la chaudière 2E a. une tellfratuur: de llt5 C. T1.1' ,)'1'1t)0 d'alimentation 31 envoie l'écononiseur j0, prrr \l'1.
Ll1:rh11 ?2, la n nantit" d'eau nécessaire pour nff(,"etuer le r"froL<M.rjir,e>'ient rlrf.l.l'( du fluide déchargé. par le corruLt: 2/.. I,' (;['11 <-n "y cep est envoyé-nar un prolongement 34 du tuyr'l1 de ;.0rtl.( 33 du 1'conori.rr'ltr danr- un tambour (L'expansi 35, tJ1Jr-i.; pue 1'e:,Ll C7Fir'IEal1'Ialt:lOT1 rlPCCf1fw.l:r'(\ au ±;t1l0r[1,teur de T,î'iE.i(' C.:.t envoyée 'Jnr un tuyfn 36 pk une pompe e1'nli.tlentation ,'3' 8.
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un corps cylindrique d'eau et de vapeur 38 de la chaudière à pression la plus basse 28.
Une partie de cette eau est prélevée par une pompe 39 et introduite dans un corps cylindrique d'eau @ et de vapeur 40 de la chaudière à pression moyen.; e inférieure 27; une partie de l'eau du corps cylindrique 40 est prélevée par une pompe 41 et introduite dans un corps cylindrique d'eau et de vapeur 42 de la chaudière 26 à pression moyenne supérieure et une partie de l'eau du corps cylindrique 42 est prélevée par une pompe 43 et introduite dans un corps cylindrique d'eau et de vapeur 44 de la chaudière à haute pression 25.
La vapeur saturée fournie à des pressions décroissantes par lescorps cylindriques 44, 42, 40 et 33 est envoyée par les canalisa tiens de vapeur 54,52, 50 et 48 respectivement aux étages 61 à 64 de la turbine à vapeur 60, pans 1 es canalisations 54, 52, 50 et 48, respectivement, sont montes des surchauffeurs 540, 520, 500 et 480 d'un dispositif de chauffage de la vapeur 45 où ces sur- chauffeurs sont disposés en ordre successif dans un parcours des .gaz de chauffe, Le dispositif de chauffage de vapeur 45 comprend une chambre de combustion qui est aménagé pour brûler un combustible approprie, par exemple de l'huile,
introduit par un brûleur 47 et qui est alimente en air comburant chaud sous pression sous forme de gaz d'échappement d'une batterie 46 de compresseur? à pistons libres. La vapeur quittant l'étage à haute pression 61 de la turbine est envoyée par une canalisation de vapeur 55 à l'entrée 56 du surchauffeur 520 pour la vapeur à pression 'doyenne supérieure et est fournie en même temps que cette dernière veneur, par la canali-
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sation 5Il f' 1'1'"I:;l'llJe fuivnnt 62. de la turbine 60.
Celle-ci comprend auspi un (tFj7,c- 65 à très bosse pression, par cro.n.ile, 0,5 pt\11of1phb:l'e, qui utilise la Vé':)(.:1.I1' :a.n,nx''c [.11E:n'o f'.u tambour <"expé'l1sion 35 par une crvocdisHblon de vapeur saturée 66.' La. Vf pour <'Ch8:{'g(:ù de 1<" turbine 60 est condensée dans un condenseur 66 et le condense t est 7.'L<<L:t111 par une poulpe d'cxtractic 67 LJ.r1 r!;;c:rroir d'alimentation 66 aunuol l'eau venant du i;ceta.bou.W
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d'ta'Uc2lSiOn 35 est a.1J!"±'i :1''<".ieriêe ;1:r avoir passe par un'réfrigé- rant 69.
Les gaz Ce carneaux oui ont passé par le dispositif de chauffage de la vapeur 45 sont détendus dans une turbine à gaz 71
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et décharges alors par un cúnJ±LL-I: 11. ('ans une cheminée (non représentée) ,
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C011Jlle variante, la surchauffeur à basse pression 4$0, et peut-être aussi le surchauffeur P. pression 111':)'T;mre inférieure 500 peuvent être placés dans le parcours des gaz de chauffe en
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aval de la turbine à ;a:: 71, étant donné ou 'on peut a.dmettre dans la turbine gaz des gaz à une température relativement élevée de 500 à 550 C, par exemple.
Dans une installation complexe constituée de la manière décrite, la chaleur disponible dans le ou les combustibles conven- tionnels brûlés dans la batterie 46 des compresseurs à piston? libres et dans la chambre de combustion eu dispositif de chauffage
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de la vapeur 45, est utilisée avec un renr1.'-o"lr.>ni: considérablement plus élevé nue celui obtenu dans la plupart des installations
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uodemes. On out dire oue ce rendement de 7.'utilisation de cas- bustible conventionnel est d'autant où::: élcv oue la teuérature de surchauffe est nluç élevée. On courrait car .conséquent envisbe.1' la surchauffe en deux ,f.tr-.ef, la surchauffe primaire ratant assurée par la chaleur d'origine nucléaire et la surchauffe secondaire par
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le combustible conventionnel.
En Raison de la hr.ute t0'pératur0. à. lr""ucllo les cas arrivent dans ce cas à la turbine h gasr il serait, toutefois, nécessaire d'assurer dans celle-ci un rapport de Dressiott f.L1fflff.ni". :J0ur /vI1,r]'uo" f'p;'nr1, "'J'il" 00 dralc.1U' ^mn:wt.l, ' 1;: Citf.-'iiii-'r-.
1::n;' le crurl- ti ott:' rlltlJ' 1.1.c: . t ,'c.!'f lu,'!,1('n!: , 3mra Irf f' rl1..1r l'Pf. /innées à V0"r,., h ':lo1.J : eue 1 o. >##'!.##! lin- ii' <#<#;# i'ai.c.
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1:i,,:ux .I[+'o'f'ro1- (/;"1:: 1; ':lyiCtttloli ctu: l'Éc'i.c'1 !-.': : 1c l, ,ll ne t::':' de;' pro;-;j-' r- ''OMi-Lt- ' i # ##]> J < él I rë: J'a'1ide", la. # # { <''##' ! n -- (if.!) 1'1Illr'(":. 1':±'1'J,.'1';:1.I.: ".1. 1 I\,! I.é.e;. ',\\11"(: ..j-j >'i>j i # #: M Y"ii,-,.1 .
S).tI.fl.5 c';:; r:or, j f 1 hw', c'i-r 1; i-o 1-1-i'il : i;n # ('''.'1,: i ;1:. fh't-'
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vapeur qui permet d'obtenir les meilleurs rendements. En réalité, un cycle ne comprenant que les gaz, par exemple, qui pourrait aussi être considéré pour la récupération de la. chaleur libérée par des réacteurs atomiques et la transformation de cette chaleur en énergie mécanique, ne pourrait avoir un bon rendement que si la température de la source de chaleur atteignait une valeur de 3 'ordre de 600 C, qui n'est pas compatible avec les piles atomiaues actuelles.
Il est elarir que la compression des gaz fournis par la turbine à gaz peut être effectuée par un compresseur de n'importe quel type approprie. Lorsqu'on emploie une batterie de .compresseurs à pistons libres ceux-ci sont nécessairement alimentés en huile, nais leur consommation d'huile reste peu élevée en comparaison de la consommation de combustible conventionnel, cui peut être' d'une nature quelconque telle que le gaz et même le charbon, dans la chambre de combustion du dispositif de chauffage de la vapeur 45 Sur la fig. 2, l'emploi d'huile a été envisagé aussi pour le chauffage de la chambre de combustion du dispositif de chauffage 45 de la vapeur.
Le rendement tiré de l'huile dans une telle installa- tion est certainement supérieur à 45%.
L'attention doit être attirée sur les possibilités très intéressantes qu'une telle installation offre au point de vue de la;. sécurité et de la mise en marche. Il est en réalité néces- saire, en vue d'éviter les détériartions d'assurer le refroidisse Lient, du réacteur pendant un certain temps après qu'il a été arrêta brussuement. Dans les centrales atomiques actuelles, ce reforidise ment nécessite des appareils spéciauy et compliqués.
Dans le cas d l'installation, décrite, lors de 1s mise en marche ou après un arrêt générale il est toujours possible d'assurer le fonctionnemen d'une partie, sinon de la totalité, des soufflari ce. produisant la circulation du réfrigérant du. réacteur, si ces souffleries sont actionnées par la turbine à gaz, cette machine étant particu- lièrement sûrs?; la fois dans son fonctionnement et :?,on
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alimentation en fluide moteur tiré d'un certain nombre de
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compresseurs à pistons libres fonctionnant en parallèle.
Sî l'on a eu soin d'établir la turbine à gaz dans les conditions voulues tant au point de vue mécaninue que sous le rapport des matériaux employés dans sa construction, on peut exiger un notable degré de surcharge de la machine si l'on admet une perte relativement élevée de chaleur sensible dans la cheminée. Par exemple,en disposant un by-pass 73 réglé par une valve 74 entre -la, .batterie 46 de compresseurs et la turbine à gaz 71, on peut, en c as de
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besoin, court-circuiter le dispositif de chauffa.ge de la vapeur 45 et admettre la totalité des gaz des compresseurs directement dans la turbine à gaz à unp température de l'ordre de 500 C au lieu de 300 C, par exemple. La surcharge serait alors de l'ordre de 30%.
Les compresseurs à. pistons libres sont aussi susceptibles d'une certaine surcharge et comme, d'autre part, il y a toujours au moins l'un d'eux en réserve, la surcharge totale disponible peut être particulièrement grande.
Bien que, comme on le voit, l'invention soit particulièrement avantageuse dans son application aux stations centrales d'énergie nucléaire , l'invention peut être appliquée à d'autres installations destinées à récupérer la chaleur sensible contenue à des températures relativement modéréesdans des masses de fluide provenant des usines industrielles.
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