CH239086A - Procédé pour l'utilisation de la chaleur contenue dans des eaux chaudes dans le but de produire de l'énergie mécanique. - Google Patents

Description

  Procédé pour l'utilisation de la chaleur contenue dans des     eaux    chaudes  dans le but de produire de l'énergie mécanique.    La présente invention se rapporte à un  procédé pour l'utilisation, dans le but de pro  duire de l'énergie mécanique, de la. chaleur  contenue dans des eaux chaudes, par exemple  dans des eaux thermales.  



  Les eaux chaudes utilisées pourraient aussi  être, par exemple, les eaux de rebut des tra  vaux et traitements industriels et semblables.  



  La figure unique du     dessin    ci-joint repré  sente, à titre d'exemple, une installation pour  la mise en     #uvre    d'une forme d'exécution du  procédé selon l'invention.  



  Les eaux chaudes cèdent de la chaleur au  fluide de travail à travers des parois métalli  ques dans une série d'évaporateurs 1, l' et 1"  disposés en cascade et vaporisent ainsi ce  fluide. Le fluide de travail choisi dans  l'exemple décrit est le butane normal qui a  un poids moléculaire de 58 (contre les 18 de  l'eau) et bout à la pression     atmosphérique    à  1  C.

   On pourrait aussi utiliser     l'isobutane.       Les eaux chaudes entrent par le raccord 7  dans les tubes du premier évaporateur 1 à la  température     T,    et en sortent en 8 à la tempé  rature     Ti   <I> < </I>     T,    La température d'ébulli  tion     T,    du butane contenu dans le corps de  l'évaporateur 1 est légèrement     inférieure    à       T,',    l'écart étant des quelques degrés centi  grades nécessaires pour obtenir une bonne  transmission de la chaleur à travers les pa  rois.

   Avant de passer à l'évaporateur suivant,  l', les     eaux    chaudes, à la température     T,',    ali  mentent un appareil de chauffage préalable 2  du butane qui alimente le premier évapora  teur et qui est puisé dans un deuxième appa  reil de chauffage préalable 2' au moyen d'une  pompe 3.

   Les eaux chaudes     entrent    ensuite en  7' dans l'évaporateur l' et après avoir cédé  de la chaleur au butane de ce dernier en  sortent en 8' à la température     TZ   <I> < </I>     T,'.    La  température d'ébullition     T2    en l' est légère  ment inférieure à     T2'    pour les raisons déjà       mentionnées.    Les eaux chaudes, à la tempé-      rature     T2',    traversent ensuite l'appareil de  chauffage préalable 2' du butane alimentant  l'évaporateur l' et qui est puisé dans     -Lui     troisième appareil de chauffage préalable 2"  au moyen d'une pompe 3'.

   Ces eaux chaudes  entrent ensuite en 7" dans le troisième éva  porateur 1" d'où elles sortent par 8" à la tem  pérature     Tz,'    et sont déchargées définitive  ment après avoir traversé l'appareil de chauf  fage préalable 2" alimentant en     butane    l'éva  porateur 1". Une pompe 3" puise le butane  dans un condenseur 6 et l'amène à l'appareil  2". Le nombre des évaporateurs pourrait être.  supérieur à trois ou être réduit à. deux. Cha  que pompe 3 fournit à     l'appareil    de chauf  fage préalable correspondant la quantité de  butane qui suffit pour alimenter son évapora  teur et ceux se trouvant en amont de ce  dernier.  



  En choisissant le butane ou     l'isobutane     comme fluide de travail dans le cas de  l'exemple décrit, on a tenu compte du fait.  que la vitesse d'écoulement d'une vapeur sa  turée dans une expansion adiabatique entre  deux températures est inversement propor  tionnelle à la racine carrée du poids molécu  laire de cette vapeur. Ainsi, le butane  normal ou     l'isobutane    (poids moléculaire 58)  donnent dans l'intervalle de températures gé  néralement utilisables dans le cas     d'eaux     chaudes, c'est-à-dire entre 100 et 15" C, des  vitesses d'écoulement égales     à,    peu près à la  moitié de celles qu'on peut atteindre avec  la vapeur d'eau dans le même intervalle de  température (poids moléculaire de l'eau 18).  



  En outre, le butane aussi bien que     l'iso-          butane    ont été choisis pour la raison qu'ils  possèdent la propriété     thermodynamique    ca  ractéristique suivante: En détenant     adiabati-          quement    le butane ou     l'isobutane    en partant  de la vapeur saturée et sèche on obtient une  vapeur surchauffée. En effet, le butane et       l'isobuta,ne    présentent la particularité que  dans l'intervalle de température considéré,  c'est-à-dire entre 10 et 100  C, la. valeur de  l'entropie de leur vapeur saturée sèche croît  avec la température.

   Ceci n'est pas le cas pour  la plupart des autres fluides, car pour ceux-ci    la valeur de l'entropie de 1a vapeur saturée  sèche     décroit    avec     l'aubmeritation    de la tem  pérature.  



  Cette propriété     caractéristique    est tris       avantageuse    dans le. cas de l'exemple décrit.  En effet, les évaporateurs 1, l', 1" fournissent  de la vapeur de butane saturée. Or, comme  cette vapeur, après s'être     détendue    dans la  turbine 5,     sema,    surchauffée, donc ne contien  dra pas d'humidité, on n'aura pas à craindre  d'action     freinante    et corrosive sur la roue à  aubes de la. turbine.

   D'autre part, la. basse  vitesse d'écoulement de la vapeur de butane  ou     d'isobutane    permet l'emploi d'une turbine  à vapeur à action pure comportant une roue  unique à simple couronne d'aubes tout en per  mettant de maintenir sans difficulté le rap  port entre la vitesse     circonférencielle    de la  roue et celle d'écoulement de la vapeur voisin  de la valeur<B>0,5.</B> ce qui donne un très bon  rendement.

   Ce résultat n'aurait guère été  possible avec de la vapeur d'eau qui atteint  dans l'intervalle de     température    mentionné  des vitesses d'écoulement d'environ 1000       mètres    par     seconde    et une remarquable humi  dité après     l'expansion        adiabatique.     



  Les différents évaporateurs ne sont. pas  remplis de butane ou     d'iSOblitane,    mais ils  contiennent de l'eau mise en active circula  tion à l'intérieur (le l'évaporateur par des  pompes de circulation 14, 14' et 14" respec  tivement.    Le     butane    ou     l'isobutane    est injecté dans       eelte    eau par les pompes 3, 3', 3" sous forme  finement subdivisée,

   de     telle        sorte        qu'il    se       produit    avec     l'eau    contenue dans     l'évaporateur     une     espèce        d'émiil.qioii.    Le     coeffieient    de trans  mission de     chaleur        entre    les     eaux    chaudes et  l'eau contenue dans l'évaporateur est     très     élevé     -i    cause de la grande vitesse     imprimée    à  la.

   masse d'eau intermédiaire, relativement  aux surfaces chauffantes, par la pompe de  circulation correspondante. D'autre part, le.  fractionnement tris poussé du butane ou de       l'isobutane    établit une très grande surface de  séparation entre la.     masse    d'eau intermédiaire  et ce butane ou     isobutane    qui, n'étant pas      miscible dans l'eau, se vaporise avec un grand  coefficient global de     transmission.     



  Les différents évaporateurs alimentés par  les eaux chaudes à température graduellement  décroissante     auront    ainsi des pressions d'ébul  lition qui, à cause de la     petite    pression par  tielle de la vapeur d'eau contenue dans     l'éva-          porateur,    peuvent être considérées comme  celles des vapeurs saturées du butane aux  températures acquises par les masses d'eau  intermédiaires. Ces pressions     d'ébullition    du  butane ou de     l'isobutane    seront donc décrois  santes du premier au dernier évaporateur;  soient respectivement les pressions<I>p, p'</I> et  p", les pressions correspondant aux évapora  teurs 1, l' et 1".

   Chaque évaporateur 1, res  pectivement l' et 1",     alimente,    à travers une  tubulure 10,     respectivement    10' et 10", une  série de tuyères 4, respectivement 4' et 4", de  l'unique turbine 5. Les tuyères de chaque  série sont disposées suivant une circonférence  concentrique avec l'arbre 9 de la turbine.  Dans chaque série de tuyères, la vapeur qui  peut être considérée comme composée exclu  sivement de butane ou     d'isobutane    se détend  de la pression d'ébullition de l'évaporateur  correspondant à une pression finale     p2     régnant dans le condenseur 6, et qui est fixé  par la quantité et la température de l'eau  froide à disposition. Cette eau froide entre  dans le condenseur en 11 et en sort en 12.  



  Par conséquent, dans la série de tuyères 4,  la vapeur se détend entre la pression p et la  pression     p=,    dans la série 4' entre la pression  p' et la pression p. et ainsi de suite. Les sauts  de pression dans les différentes séries de  tuyères étant décroissants (les pressions<I>p, p'</I>  et p" étant décroissantes), les vitesses d'écou  lement des différentes séries de tuyères dé  croissent aussi en allant de 4 à 4". Toutes ces  séries de tuyères alimentent ensemble la roue  unique à action à unique couronne d'aubes de  la turbine 5 et sont disposées d'autant plus  près du centre de la roue, que la vitesse  d'écoulement de la vapeur qui sort de leurs       tuyères    diminue.

   Les tuyères de chaque série  sont disposées suivant une circonférence de  rayon tel, que la vapeur provenant de l'éva-         porateur    correspondant et s'écoulant par les  tuyères de cette série rencontre les aubes de  la roue à une distance du centre telle qu'un  point de la roue situé à cette distance du  centre ait une vitesse     circonférentielle    égale  à la moitié de la vitesse d'écoulement de la  vapeur de butane à sa sortie des tuyères de       cette    série.

   Si C, C' et C" sont les     vitesses     d'écoulement de la vapeur à sa     sortie    des  tuyères des séries 4, 4' et 4" respectivement,  et si<I>U, U'</I> et U" sont les vitesses     circonfé-          rentielles    des points en lesquels la vapeur  sortant des tuyères des séries 4, 4' et 4" ren  contre les aubes de la roue, on aura:  
EMI0003.0021     
    Ce rapport 0,5 donne un très bon rendement.  Le rapport C étant constant pour toutes  les séries de     tuyères,    on peut donner aux  aubes une surface     unique    cylindrique qui  peut être     facilement    exécutée.  



  La vapeur déchargée par les différentes  tuyères, après avoir agi sur la roue, se dé  charge à la pression commune     p2    à travers le  canal 13 dans le condenseur commun 6, où  elle se condense. De là, le butane ou     l'iso-          butane    est renvoyé, par la pompe 3", à l'ap  pareil de chauffage préalable 2".  



  La     température    d'ébullition dans les dif  férents évaporateurs est fixée de la manière  suivante:  Si     T,    est la température absolue des eaux  chaudes à l'entrée du premier évaporateur,       Tf    la     température    de l'eau froide à la sortie  du     condenseur    et 48 l'écart minimum de tem  pérature qu'on fixe pour la transmission de  la chaleur à travers les parois qui séparent  les eaux chaudes de la masse d'eau intermé  diaire et du fluide de travail dans les divers  évaporateurs, on choisira les dimensions des  évaporateurs et des appareils 2,

   2' et 2" et on  réglera     l'alimentation    de façon que la tempé  rature d'ébullition dans le     premier    évapora  teur soit  
EMI0003.0035     
      dans le second  
EMI0004.0001     
    et dans le troisième  
EMI0004.0002     
    Dans le cas de     ia    évaporateurs, on choisira  leurs dimensions et leur alimentation en  fluide de travail, de façon que<B>la</B> température  d'ébullition dans l'un quelconque     q    de ces  évaporateurs successifs ait la valeur  
EMI0004.0005     
    On a, constaté que cette façon de répartir  les températures donnait un très bon ren  dement.  



  Au lieu de butane ou     d'isobutane,    on  pourrait utiliser une autre substance à. poids  moléculaire élevé, non miscible à l'eau, et  ayant un point d'ébullition, à la pression  atmosphérique, voisin de la température  ambiante, soit de 15  C.

Claims (1)

1. REVENDICATION Procédé pour l'utilisation de la, chaleur contenue dans des eaux chaudes dans le but de produire de l'énergie mécanique, caracté risé en ce que les eaux chaudes traversent suc cessivement une série d'évaporateurs disposés en cascade dans chacun desquels elles cèdent de la chaleur à un fluide de travail, les di mensions des évaporateurs et leur alimenta tion en fluide de travail étant choisies de façon que, si n est le nombre des évapora teurs disposés en cascade, T,,, la température absolue des eaux chaudes à leur entrée dans le premier évaporateur, Tf la température de l'eau de refroidissement à.

   la sortie d'un con- denseur pour le fluide de travail, et 4t l'écart minimum de température pour la transmis sion de la chaleur à travers des parois qui séparent les eaux chaudes et le fluide de tra vail dans les évaporateurs, la. température absolue d'ébullition du fluide de travail dans l'un quelconque q clé ces ka évaporateurs suc cessifs aura, la valeur: EMI0004.0017 SOUS-REVENDICATIONS: 1.

   Procédé suivant la revendication, ca ractérisé en ce que dans chaque évaporateur les eaux chaudes cèdent de la chaleur, à tra vers une paroi, à de l'eau contenue dans cet évaporateur et mise en circulation active dans celui-ci, le fluide de travail, qui n'est pas miscible avec l'eau, étant injecté finement subdivisé dans l'eau contenue dans l'évapora teur et étant vaporisée par la chaleur emprun tée aux eaux chaudes traversant. l'évaporateur et transmise à ce fluide par l'entremise de la masse d'eau intermédiaire contenue dans l'évaporateur. 2. Procédé suivant la revendication et la sous-revendication 1, caractérisé en ce que le fluide de travail a. un poids moléculaire qui est au moins le double de celui de l'eau. 3.

   Procédé suivant la revendication et les sous-revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le fluide de travail est du butane. 4. Procédé suivant la revendication et les sous-revendiéafions 1 et 2, caractérisé en ce que le fluide de travail est de l'isobutane. 5.

   Procédé suivant la revendication et les sous-revendications 1 et 2, caractérisé en ce due les différents évaporateurs alimentent tous en vapeur de fluide de travail une même roue de turbine à, action à simple couronne d'aubes, chacun des évaporateurs alimentant une série de tuyères dont chacune est disposée de façon que la. vapeur sortant de chacune de ces tuyères rencontre les aubes de la roue à une distance du centre telle que la vitesse circonférencielle d'un point de la roue situé <B>î</B> t cette distance du centre soit égale à. la moitié de la vitesse d'écoulement de la. vapeur de fluide de travail sortant de cette tuyère.