La présente invention a pour objet un procédé de production d'énergie dans un moteur à combustion externe.
Des essais nombreux et coûteux ont été entrepris pour appliquer le cycle de Rankine aux véhicules roulant sur le sol au lieu des cycles classiques Otto et Diesel, en particulier en raison de la pollution plus faible de l'air assurée par les systèmes à combustion externe utilisés pour l'admission de chaleur dans le cycle de
Rankine.
Il est avantageux, également, d'augmenter le rendement thermique des centrales à vapeur pour la production d'énergie électrique et, de la sorte, diminuer à la fois la pollution de l'air et la pollution thermique, tout en économisant du combustible.
L'invention vise un procédé de production d'énergie à combustion externe, techniquement réalisable et intéressant du point de vue commercial, utilisable comme cycle de production d'énergie pour les moteurs de véhicules et les moteurs fixes, ainsi que pour la production d'électricité, assurant une plus forte dimminution de la pollution de l'air et un meilleur rendement que le cycle de Rankine connu et qui, de plus, présente les avantages suivants:
:
a) pouvoir s'appliquer à toutes les combinaisons possibles de machines rotatives alternatives, à turbine et à déplacement direct et de compresseurs;
b) assurer une amélioration notable du rendement thermique et, par suite, une diminution de la consommation de combustible par rapport aux moteurs à combustion interne à essence et à allumage par étincelle et aux machines à vapeur classiques fonctionnant suivant le cycle de Rankine;
c) fonctionner avec une forte diminution de la charge du condenseur et une diminution corrélative des dimensions et du poids du condenseur, par rapport aux installations de même puissance fonctionnant suivant le cycle de Rankine;
;
d) s'adapter facilement aux systèmes de propulsion des automobiles, avoir un meilleur rendement et être moins polluant, convenir à la fabrication en série, et avoir un temps de réponse à l'accélération comparable à celui des voitures de tourisme, avoir une grande sûreté de fonctionnement, être d'un entretien peu coûteux, avoir une durée raisonnable d'utilisation et de démarrage;
e) pouvoir s'adapter à la production d'énergie électrique dans les stations thermiques, assurer un meilleur rendement du combustible, être moins polluant thermiquement et, lorsque la source de chaleur est le charbon, être moins polluant pour l'air.
Le dessin représente, à titre d'exemple, plusieurs formes de mise en oeuvre de l'invention.
En particulier, si l'invention est décrite ci-après dans le cas de l'utilisation de vapeur d'eau comme vapeur condensable, il est bien certain que l'on pourrait avoir recours à d'autres vapeurs condensables.
Sur ces dessins:
la fig. 1 est un diagramme de phases pour l'eau, la vapeur humide et la vapeur surchauffée, dans lequel la pression P de la vapeur est portée en ordonnées, en fonction de l'enthalpie (H) portée en abscisses;
la fig. 2 est un autre diagramme de phases montrant que la vapeur d'eau peut se détendre à partir d'une pression donnée puis être recomprimée à cette pression uniquement dans la zone des mélanges;
la fig. 3 est le diagramme de phases d'une autre variante de l'invention;
les fig. 4A à 4E représentent une forme de réalisation d'un appareil assurant la détente et la compression de la vapeur dans un même cylindre;
les fig.
SA à 5E représentent une autre forme d'installation de détente et de compression à piston libre permettant de mettre en oeuvre une partie du principe selon l'invention;
la fig. 6 représente, de façon schématique, une forme de réalisation d'un appareil de production d'énergie conforme à l'invention;
la fig. 7 représente, de façon schématique, comme la fig. 6, une autre forme de réalisation d'un tel appareil;
la fig. 8 est un diagramme de phases représentant les points caractéristiques d'une application de l'invention suivant laquelle on s'écarte des conditions de détente et de compression isentropiques;
la fig. 9 est un schéma analogue à ceux des fig. 6 et 7 d'un appareil de production d'énergie réglé pour une détente et une compression non isentropiques;
;
la fig. 10 est un diagramme de phases représentant l'application de l'invention à un nombre de temps de détente et de compression supérieur à l'unité; enfin,
la fig. 1 1 est une représentation schématique, analogue aux fig. 6, 7 et 9, d'un appareil de production d'énergie comportant deux temps de détente et deux temps de compression, avec détente et compression non isentropiques.
Les propriétés thermodynamiques de la vapeur d'eau et d'autres vapeurs condensables appliquées à des machines thermiques se comprennent très facilement si l'on se reporte à un diagramme de phases de l'eau, de la vapeur humide et de la vapeur surchauffée, diagramme où la pression de la vapeur d'eau est portée en ordonnées en fonction de la teneur en chaleur ou enthalpie, comme celui de la fig. 1.
Ce diagramme de la fig. 1 correspond au cas de l'eau mais il serait semblable pour d'autres fluides renfermant des groupes polaires de poids moléculaire relativement faible, comme par exemple le gaz ammoniac, le gaz carbonique, le méthanol, I'éthanol et le trifluoroéthanol.
Dans les machines thermiques et les compresseurs, la détente et la compression du fluide utilisé se produisent, théoriquement, toutes deux à entropie constante. C'est ainsi que la détente entre deux pressions P et p peut se représenter par une ligne d'entropie constante, comme DE, D1 El, D2 E2 ou Cj sur la fig. 1. La valeur du travail émis, ou travail effectué par la détente, est fournie par la longueur de la projection de la ligne d'entropie constante, par exemple par la projection KG et de ligne DE entre P et p, sur l'axe des abscisses.
De même, la compression de E à D se ferait dans le sens inverse, le long de la même ligne isentropique, et la projection KG représenterait alors la valeur du travail effectué sur le système ou travail reçu, ou travail en compression.
Dans un diagramme pression-enthalpie tel que celui de la fig. 1, I'entropie sous toute pression donnée décroît avec l'enthalpie. De la sorte, un point quelconque de la ligne JC d'entropie constante possède une entropie plus faible qu'un point quelconque des lignes d'entropie constante DE, D1 E1 ou D2 E2.
Entre deux pressions quelconques P et p, la valeur de la pente de la ligne isentropique est donnée par l'expression: Pp
projection sur l'axe des abscisses c'est-à-dire que sur la fig. 1, la pente de la ligne isentropique JC a pour valeur
P-p
IL et celle de la ligne isentropique DE,
P-p
KG
Ainsi, entre deux pressions quelconques, la pente de la ligne isentropique est une fonction inverse du travail effectué pendant la détente, ou du travail effectué sur le système pendant la compression; autrement dit, plus la pente est forte, plus le travail effectué pendant la détente ou pendant la compression est faible.
Etant donné que la pente des lignes d'entropie constante de la vapeur d'eau croît lorsque l'entropie diminue, on peut obtenir, par exemple en détendant un poids donné de vapeur surchauffée de la pression P à la pression plus basse p, dans le cas d'une entropie élevée (DE, D1 El, D2 E2), un gain de travail supérieur au travail nécessaire pour comprimer le même poids de liquide et de vapeur de la pression p à la pression P, dans le cas d'une entropie plus faible (JC).
Sur des diagrammes quantitatifs analogues à ceux de la fig. 1, on voit qu'il est possible de trouver des conditions telles qu'entre deux pressions P et p le rapport des pentes de deux lignes isentropiques soit voisin de 2, ou dépasse
cette valeur; autrement dit, il est fourni, en effectuant la détente,
totalement ou en partie, dans la zone de surchauffe, entre deux
pressions données, un travail supérieur au travail nécessaire pour comprimer le même poids de vapeur et de liquide dans la zone des mélanges, entre les deux mêmes pressions.
Ce résultat s'exprime sur la fig. 1, par le rapport entre la
projection KG (travail de détente le long de la ligne isentropique
DE) et la projection IL (travail de compression le long de la ligne isentropique JC).
Ce principe a été appliqué à l'obtention d'un gain important de travail utile, dans la demande de brevet déposée aux Etats
Unis d'Amérique sous le N" 58099.
Les dispositions exposées dans cette demande de brevet peuvent être appliquées à la production de vapeur d'eau. Pour cela, il faut établir un système détenteur-compresseur dans lequel le travail de détente de la vapeur pour une entropie donnée est à peu prés ou, de façon théorique, complètement équilibré par le travail de compression d'un poids supérieur de vapeur d'eau possédant une entropie plus faible. Comme indiqué dans les exemples fournis ci-après, il est donc possible, à partir de la détente d'un poids donné de vapeur d'eau surchauffée, par exemple w kilogrammes, de fournir par compression un poids de (w+y) kilogrammes de vapeur saturée, ou de vapeur dans la zone critique, ou de vapeur humide, avec y supérieur à zéro.
Ainsi, dans le cas de la fig. 1, on procède aux opérations suivantes:
de D à E, on détend w kilogrammes de vapeur d'eau surchauffée, de la pression P à la température T3, à la pression p à la température T1. Le travail émis est égal à KG,
de E à J: on ajoute z kilogrammes d'eau et (y-z) kg de vapeur d'eau, au point E et à la température T1. Le point J se trouve sur la ligne d'entropie constante passant par C; ce point C correspond à la pression P et il peut se trouver, comme représenté, sur la ligne de vapeur saturée,
de J à C: on comprime (w+y) kilogrammes de vapeur humide le long de la ligne isentropique, depuis la pression p jusqu'à la pression P.
On peut déterminer, en ce qui concerne w, y, z, la position du point D par rapport à C et les pressions P et p, des conditions telles que le travail correspondant à la détente de w soit rigoureusement égal au travail nécessaire pour comprimer le poids (w+y).
de C à D: on surchauffe (w + y) kg de vapeur sèche saturée, depuis la température de saturation correspondant à la pression P jusqu'à la température T3.
En D, la vapeur d'eau se divise en deux parties; il faut w kg de vapeur d'eau surchauffée en D pour une détente qui permette d'obtenir par compression (w + y) kg de vapeur d'eau humide de J à C, et y kg de vapeur d'eau surchauffée est disponible en D pour un travail utile, par exemple pour la détente dans une turbine.
Dans ce qui a été dit plus haut, le point C et le point E étaient tous deux sur la ligne de vapeur saturée, à savoir que la compression JC et la détente DE se terminent toutes deux sur la ligne de vapeur saturée, mais on peut adopter d'autres conditions. Sur la fig. 1, D1 est choisi de telle manière qu'une quantité très importante de vapeur surchauffée subsiste à la fin de la détente; D2 E2 montre une détente isentropique partant de la région de surchauffe et se terminant dans la zone de mélanges. On peut, de même, s'arranger pour que la compression soit telle que le point
C se trouve sur la ligne de vapeur saturée, à l'intérieur de la zone de mélanges, dans la zone de surchauffe, au-dessous de la pression critique ou dans la zone critique.
La fig. 2 montre comment la détente et la compression peuvent avoir lieu toutes deux dans la zone de mélanges.
La fig. 3 montre une disposition suivant laquelle la détente se produit sous une pression supérieure à la pression critique, ou voisine de celle-ci, depuis un point situé dans la zone de surchauffe jusqu'à un point qui peut se trouver dans la région de surchauffe, sur la ligne de vapeur saturée, ou dans la zone de mélanges, tandis que la compression s'effectue suivant une ligne d'entropie constante passant par le point critique ou voisine de celui-ci.
D'autres positions peuvent être choisies pour la ligne JC, à l'intérieur du dôme de vapeur de la courbe de la fig. 3.
Dans chacun des trois cas représentés sur les fig. 1 à 3, lorsque les conditions sont choisies de façon que le travail de détente soit bien supérieur au travail de compression, on constate qu'il faut, à la fin de la détente, pour faire venir le condensat chauffé et sous pression en F, sur les fig. 1, 2 et 3, à l'entropie voulue J, à un point situé sur la ligne FE de température et de pression cons- tantes, une quantité de vapeur supérieure à ce qu'il faut normalement pour fournir le travail émis nécessaire dans le détendeurcompresseur.
Une source avantageuse pour l'obtention de la vapeur d'eau ajoutée consiste à détendre, dans un détendeur distinct (voir fig. 1, 6 et 7) la fraction de vapeur disponible pour effectuer un travail utile, en au moins deux stades, dont le premier occupe une gamme de pression qui est celle du fonctionnement du détendeur-compresseur. A la fin de ce stade de détente, la vapeur d'eau se scinde en deux; une fraction est ajoutée à la vapeur qui s'est détendue dans le détendeur-compresseur, les deux fractions de vapeur se trouvant alors au même état. Quant à l'autre fraction de vapeur, qui a déjà effectué un travail utile, on la laisse se détendre jusqu'à une pression plus basse, dans un détendeur approprié, pour effectuer un nouveau travail utile.
Les exemples numériques donnés ci-après, et l'application des principes énoncés plus haut et représentés sur les fig. 6 et 7, reposent sur le procédé décrit dans ce paragraphe. Un cas spécial, dans lequel on peut choisir des conditions, se présente lorsque la fraction de vapeur d'eau ajoutée à la vapeur déjà détendue, dans le détendeur-compresseur, est nulle, c'est-à-dire quand on n'ajoute que de l'eau.
En pratique, comme on le montrera plus loin, il est plus courant d'avoir à retirer de la vapeur d'eau du détendeur-compresseur à la fin de la détente.
Dans les cas théoriques décrits ci-dessous, où l'on ajoute à la fois de la vapeur d'eau et de l'eau à la vapeur détendue avant la compression, la série des opérations est la suivante:
A la pression et à la température maxima (point caractéris tique D, fig. 1, D sur la fig 2 et Dl sur la fig. 3), il y a w+y kilogrammes de vapeur d'eau; w kg sont nécessaires pour actionner le détendeur-compresseur; y kg sont disponibles pour effectuer un travail utile; y kg se détendent dans un détendeur entre les pressions P et p', même gamme de fonctionnement que pour le détendeur-compresseur.
Au point E, sur les fig. 1 et 2, ou au point E1 de la fig. 3, la vapeur se sépare en deux fractions, (y-z) et z (voir fig. 6 et 7); z kg, avec ou sans réchauffage, se détendent jusqu'à une certaine pression plus basse; ils sont condensés, réchauffés sous pression suivant la ligne de liquide saturé, de préférence à l'aide de moyens régénérateurs, jusqu'au point F (fig. 1 à 3). On ajoute (w+y-z) kg de vapeur en E (fig. 1 et 2) ou en E1 (fig. 3), à la vapeur détendue qui actionne le détendeur-compresseur, alors que le piston continue de se déplacer, de sorte que la pression de vapeur qui y règne ne varie pas.
Ainsi, il y a, au point de volume maximum dans le détendeurcompresseur, un poids de w+ (y-z) kg de vapeur d'eau, sous la pression p. Dans le cas représenté sur les fig. 1 et 2, cette vapeur est à la température T1; on ajoute alors z kg d'eau à la température T1, en F, à (w+ y-z) kg de vapeur. Les (w + y) kg de vapeur humide à l'état J qui en résultent sont comprimés par la course de retour du ou des pistons vers le point C; (w + y) kg de vapeur d'eau sont ensuite apportés à l'état D, par un séparateur de vapeur et une chaudière (fig. 2) ou un surchauffeur (fig. 1), et le cycle recommence.
Dans le cas représenté sur la fig. 3, lorsque le premier temps de détente se termine dans la zone de surchauffe, I'eau en F se trouve à une température inférieure à celle de la vapeur en El. Dans ce cas, il faut ajouter de l'eau suivant un débit tel que la pression demeure constante jusqu'à ce que la vapeur soit saturée et qu'il ne se produise aucune nouvelle baisse de la température. On peut y parvenir en réglant le taux d'admission d'eau dans la vapeur détendue, au début du stade de compression.
Il ressort de ce qui précède qu'il faut prévoir des moyens pour scinder la vapeur d'eau utilisée pour le travail utile en au moins deux parties, après le premier temps de détente, qui correspond à la gamme des pressions de fonctionnement du détendeur-compresseur, et les moyens pour ajouter l'une de ces parties à la vapeur détendue avant l'admission d'eau.
On comprend, d'après ce qui précède, qu'une partie de la vapeur d'eau est détendue uniquement pour fournir le travail nécessaire au fonctionnement d'un compresseur, et, en principe, on pourrait utiliser n'importe quelle combinaison de détendeur et de compresseur (rotative-alternative, à turbine et à déplacement direct).
Aucun travail net utile ne provient de cette combinaison, et il vaut mieux qu'elle soit le meilleur marché et le plus simple possible et que le rendement soit meilleur.
Une disposition avantageuse consiste à détendre et comprimer la vapeur dans le même cylindre et, pour que les mécanismes soient le moins complexes possible, on peut effectuer ces opérations à l'aide d'un détendeur-compresseur à piston libre.
On réalise une simplification utile si la détente de la vapeur sous une entropie donnée et la compression d'une plus grande quantité de vapeur sous une entropie moindre ont lieu dans le même cylindre. Un schéma simplifié d'un tel détendeur-compresseur est décrit à l'exemple 1 et représenté sur les fig. 4A à 4E qui comportent les éléments suivants:
un cylindre 1 de détente et de compression de la vapeur;
des chambres 2, 2' de rebondissement renfermant de l'air;
des pistons 3, 3' de détente et de compression qui agissent dans le cylindre 1;
des pistons 4, 4' des chambres de rebondissement;
une soupape 5 d'admission de vapeur surchauffée sous forte pression;
une soupape d'échappement 6 et sortie reliée à un surchauffeur;
une soupape 7 d'admission et une entrée pour l'admission d'un poids calculé d'eau dans le cylindre 1;
et une entrée 8 pour l'admission, dans le cylindre, de la vapeur détendue sous la pression p (comme représenté sur les fig. 1 à 3).
On procède aux opérations suivantes:
1. Début de la détente (fig. 4A): les pistons 3, 3' touchent presque et se déplacent vers l'extérieur; la soupape 5 (admission de vapeur surchauffée) est ouverte; la soupape 6 (échappement vers le surchauffeur) est fermée; la soupape 7 (admission d'eau) est fermée, et la soupape 8 (admission de vapeur détendue sous la pression p) est fermée.
2. A mi-détente (fig. 4B):
Les pistons se déplacent vers l'extérieur; I'air dans les cylindres de rebondissement 2, 2' subit une compression; les soupapes 5 à 7 sont fermées; la soupape 8 (admission de vapeur d'eau sous la pression p) commence à s'ouvrir.
3. Fin de la détente (fig. 4C):
La soupape 5 (admission de vapeur surchauffée) est fermée; la soupape 6 (sortie vers le surchauffeur) est fermée; la soupape 7 (admission d'eau) est ouverte, et la soupape 8 (admission de vapeur à la pression p) se ferme.
4. A mi-compression (fig. 4D):
Les pistons se déplacent vers l'intérieur sous l'effet de la détente de l'air comprimé dans les cylindres de rebondissement; la soupape 5 (admission de vapeur d'eau surchauffée) est fermée; la soupape 6 (sortie vers le surchauffeur) est fermée mais commence à s'ouvrir; la soupape 7 (admission d'eau) se ferme et la soupape 8 (admission de vapeur sous la pression p) est fermée.
5. Fin du temps de compression (fig. 4E):
La soupape 5 (admission de vapeur surchauffée) s'ouvre; la soupape 6 (sortie vers le surchauffeur) se ferme; la soupape 7 (admission d'eau) est fermée et la soupape 8 (admission de vapeur sous la pression p) est fermée, et le cycle recommence.
Suivant une autre forme de réalisation de compresseur à piston libre, décrite à l'exemple 2 et représentée sur les fig. 5A à 5E, au lieu d'utiliser des cylindres de rebondissement pour provoquer le déplacement des deux pistons vers l'intérieur, on utilise la vapeur pour entraîner les pistons dans les deux sens; un tel détendeur-compresseur est à double effet.
Les fig. 5A à 5E comportent les organes suivants: un cylindre 10; des pistons 11 et 11' qui se déplacent dans le cylindre 10; des soupapes d'admission 12, 12', 12" pour la vapeur sous forte pression: des soupapes 13, 13', 13" d'échappement et sorties reliées à un surchauffeur; des soupapes 14, 14', 14" pour l'admission d'un poids calculé d'eau dans le cylindre 10, et des soupapes 15, 15', 15" d'admission de vapeur sous la pression p (fig. 1 à 3).
La série des opérations peut être la suivante:
1. Début de la détente vers l'extérieur (fig. 5A): les pistons sont presque en contact; le volume situé à chaque extrémité du cylindre contient (w + y-z) kg de vapeur détendue.
La soupape 12 (soupape d'admission de vapeur d'eau sous pression élevée dans la partie centrale des cylindres) est ouverte, pour admettre 2 w kilogrammes de vapeur sous pression élevée; les soupapes 12', 12" (soupapes d'admission de vapeur sous pression élevée aux extrémités du cylindre) sont fermées; les soupapes 13, 13', 13" (soupapes d'échappement vers le surchauffeur) sont fermées; la soupape 14 (admission d'eau au centre du cylindre) est fermée; les soupapes 14', 14" (admission d'eau aux extrémités du cylindre) sont ouvertes; z kilogrammes d'eau sont injectés à chaque extrémité du cylindre 1 tandis que les pistons se dirigent vers l'extérieur, et les soupapes 15, 15', 15" (soupapes d'admission de vapeur d'eau sous la pression p) sont fermées.
2. Au milieu du déplacement vers l'extérieur (fig. 5 B), les soupapes 12, 12' et 12" (admission de vapeur d'eau sous forte pression) sont fermées; la soupape 13 (échappement de la partie centrale du cylindre vers le surchauffeur) est fermée; les soupapes 13' et 13" (soupapes d'échappement des extrémités du cylindre vers le surchauffeur) commencent à s'ouvrir; la soupape 14 (soupape d'admission de l'eau au centre du cylindre) est fermée; les soupapes 14', 14" (soupapes d'admission d'eau aux extrémités du cylindre) commencent à se fermer; la soupape 15 (admission de vapeur d'eau sous la pression p dans la partie centrale du cylindre) commence à s'ouvrir, et les soupapes 15' et 15" (soupapes d'admission de vapeur sous la pression p aux extrémités du cylindre) sont fermées.
3. Fin du placement vers l'extérieur (fig. 5 C):
La partie centrale du cylindre contient alors un poids de 2 w+ 2(y-z) kilogrammes de vapeur détendue; la soupape 12 (admission de vapeur d'eau sous pression élevée dans la partie centrale du cylindre) est fermée; la soupape 13 (soupape de sortie de la partie centrale du cylindre vers le surchauffeur) est fermée; la soupape 14 (admission d'eau dans la partie centrale du cylindre) est ouverte; 2z kilogrammes d'eau sont injectés au cours du déplacement des pistons vers l'intérieur; la soupape 15 (sou pape d'admission de vapeur d'eau sous la pression p dans la partie centrale du cylindre) est fermée; les soupapes 12' et 12" (soupapes d'admission de vapeur d'eau sous forte pression dans les extrémités du cylindre) s'ouvrent presque complètement;
les soupapes 13', 13" (soupapes d'échappement des extrémités du cylindre vers le surchauffeur) sont fermées; les soupapes 14', 14" (soupapes d'admission d'eau dans les extrémités du cylindre) sont fermées, et les soupapes 15', 15" (admission de vapeur sous la pression p dans les extrémités du cylindre) sont fermées.
4. Au milieu du déplacement vers l'intérieur (fig. 5D): la soupape 12 (admission de vapeur d'eau sous forte pression dans la partie centrale du cylindre) est fermée; la soupape 13 (soupape d'échappement de la partie centrale du cylindre vers le surchauffeur) commence à s'ouvrir; la soupape 14 (soupape d'admission d'eau dans la partie centrale du cylindre) commence à se fermer; la soupape 15 (admission de vapeur d'eau sous la pression p dans la partie centrale du cylindre) est fermée; les soupapes 12' et 12" (admission de vapeur d'eau sous pression élevée dans les extrémités du cylindre) sont fermées; les soupapes 13', 13" (soupapes d'achappement des extrémités du cylindre vers le surchauffeur) sont fermées;
les soupapes 14' et 14" (admission d'eau aux extrémités du cylindre) sont fermées et les soupapes 15' et 15" (admission de vapeur d'eau sous la pression p dans les extrémités du cylindre) s'ouvrent.
5. Fin du déplacement vers l'intérieur (fig. 5E): la soupape 12 (soupape d'admission de vapeur sous forte pression dans la partie centrale du cylindre) est presque complètement ouverte; la soupape 13 (soupape d'échappement de la partie centrale du cylindre vers le surchauffeur) se ferme presque complètement; la soupape 14 (soupape d'admission d'eau dans la partie centrale du cylindre) est fermée; la soupape 15 (admission de vapeur d'eau sous la pression p dans la partie centrale du cylindre) est fermée; les soupapes 12' et 12" (soupapes d'admission de vapeur sous forte pression dans les extrémités du cylindre) sont fermées; les soupapes 13', 13" (soupapes d'échappement des extrémités du cylindre vers le surchauffeur) sont fermées;
les soupapes 14', 14" (d'admission d'eau aux extrémités du cylindre) s'ouvrent presque complètement et les soupapes 15', 15" (admission de vapeur d'eau sous la pression p dans les extrémités du cylindre) se ferment presque complètement, et le cycle recommence.
On peut appliquer plusieurs procédés connus pour maintenir correctement les pistons en place l'un par rapport à l'autre, par exemple le procédé non mécanique décrit dans le brevet des Etats
Unis d'Amérique NO 3127881, et le procédé mécanique simple décrit dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique N" 3369530 et 3369738.
La manière d'adapter le compresseur à vapeur à piston libre à un cycle de production d'énergie sera décrite ci-après aux exemples 3 à 5 et illustrée de façon schématique sur les fig. 6 rt 7.
(Les éléments de la fig. 7 homologues de ceux de la fig. 6 sont désignés par le même numéro, affecté du signe prime). Exemple 3:
Caractéristiques de la vapeur pour le compresseur à vapeur à piston libre, fig. 1, détente isentropique D-E: la température T2 de la vapeur qui sort du surchauffeur 22 est de 540"C; la pression P de la vapeur qui sort de ce surchauffeur = 72 kg/cm2. Il se détend w kilogrammes de vapeur d'eau dans le compresseur-détendeur 21 à piston libre (fig. 6) vers la ligne de vapeur saturée.
Les conditions indiquées ci-dessus correspondent à la détente isentropique DE représentée sur la fig. 1; la pression à la fin de ce temps de détente (p sur la fig. 1) est d'environ 3,9 kg/cm2.
Il se détend y kilogrammes de vapeur à 5400 C sous une pression de 72 kg/cm2, lorsqu'elle quitte le surchauffeur 22 (fig. 6), par une turbine 23 ou un détendeur d'un autre type, jusqu'à la pression p (3,9 kg/cm2).
On divise y kilogrammes de vapeur à la pression de p= 3,9 kg/cm2 en deux parties: z kg et (y-z) kg, sans modifier les caractéristiques de chaque partie.
A la fin de la compression de w kg de vapeur dans le détendeur-compresseur, on poursuit, par déplacement des pistons, la détente de la chambre renfermant cette vapeur détendue pour entrainer (y-z) kilogrammes de vapeur à la pression p= 3,9 kg/cm2 dans le volume, sans modifier les caractéristiques des w kg de vapeur qui se trouvent déjà dans ce volume, ni les (y-z) kg de vapeur entraînés par le déplacement du ou des pistons qui se poursuit.
On détend z kilogrammes de vapeur à la pression p et à la température T1 (comme indiqué sur la fig. 1), dans une turbine 24 ou autre type de détendeur, jusqu'à une pression et une température plus basses (par exemple, 72 g/cm2), pour effectuer un travail utile. On condense toute cette vapeur (z kg); par des moyens appropriés 25 (chauffage extérieur ou par régénération), on chauffe le condensat sous pression jusqu'à la température T1, indiquée sur la fig. 1.
On ajoute z kilogrammes de condensat à la température T1 (correspondant à la pression p = 3,9 kg/cm2), à w + (y-z) kg de vapeur à la pression de 3,9 kg/cm2 dans le détendeur-compresseur, et l'on recomprime la totalité de w + (y = z)f z = (w + y) kg à la pression p = 72 kg/cm2 par retour du ou des pistons dans le détendeur-compresseur.
Cela correspond à la ligne JC de compression isentropique sur la fig. 1, et, dans les conditions énoncées, on obtient une vapeur sèche saturée sous 72 kg/cm2.
Pour faciliter les calculs, on prendre w égal à 1 kg.
Le travail émis par la détente de 1 kg de vapeur est 183 kilocalories. Le travail de compression de 1 kg de vapeur suivant la ligne JC de la fig. 1 où p= 72 kg/cm2 et p= 3,9 kg/cm2, est égal à
117 kilocalories. Donc, 1 kg de vapeur à 540 + 72 kg/cm2 se détendant à 3,9 kg/cm2, peut comprimer 183/117= 1,555 kg de vapeur ayant la composition J comme représenté sur la fig. 1 jusqu'au point C (qui, dans cet exemple, est 72 kg/cm2 sur la ligne de vapeur saturée).
L'enthalpie a respectivement les valeurs suivantes pour les points F, J et E: 140, 539 et 646 kilocalories par kilogramme, ce qui permet de calculer le poids z.
Comme indiqué plus haut, 1 + y = 1,555 kg; y = 0,555 kg et z. 140+(1,555-z). 646=1,555 x 539
d'où z = 0,331 kg.
Autrement dit, on dispose de 0,555 kg de vapeur d'eau pour effectuer un travail utile au cours du temps de détente de 72 à 3,9 kg/cm2, et de 0,331 kg pour effectuer un nouveau travail utile par détente utile par détente de 3,9 kg/cm2 jusqu'à 72 g/cm2.
Travail émis utile total= 66,6 kilocalories.
Chaleur nécessaire (surchargeur)= 121,5 kilocalories.
Chaleur nécessaire (chauffage de 1'eau)= 15 Kcal.
Quantité totale de chaleur nécessaire= 136,8 Kcal.
Rendement e= 66,6/136,8 = 48,5%.
On augmente encore le rendement en utilisant une partie de la vapeur (z kg au point E, fig. 1) pour chauffer l'eau. Cela s'effectue très bien par étapes de la façon appelée chauffage de régénération.
Il est également avantageux dans le cas de l'invention, de ramener la vapeur (z kg) à la température maximale avant d'effectuer une nouvelle détente. Comme cela est bien connu, on peut utiliser autant de stades de réchauffage que cela peut être utile.
Avec un faible rapport de compression et une pression maximale située dans la zone critique ou à son voisinage, un poids donné de vapeur surchauffée se détendant dans le détendeurcompresseur 21 à piston libre, comprime plusieurs fois son poids de vapeur humide.
L'exemple 4 donne un cas numérique de cycle de production d'énergie mettant en oeuvre de telles conditions. Les conditions relatives au détendeur-compresseur 21 sont représentées de façon non quantitative par la détente isentropique D1E1 et la compression JC, sur la fig. 3.
Exemple 4:
Caractéristiques de la vapeur pour un compresseur à vapeur (fig. 3).
Au point D1 p = 288 kg/cm2; température= 5400 C; enthalpie= 773,3 kilocalories par kilogramme.
Au point E1, p= 108 kg/cm2, h= 711,2 kcal/kg
Au point J, p= 108 kg/cm2, h= 483,4 kcal/kg
Au point C, p= 288 kg/cm2, h 500 kcal/kg
Au point F, p = 180 kg/cm2, h = 336 kcal/kg
W kg de vapeur surchauffée au point D1 en se détendant jusqu'à E1 compriment (w+ y) kg de vapeur humide de J à C.
Pour simplifier, on prendra w= 1 kg.
Le travail émis par la détente de 1 kg de D1 à E1 est égal à 62,7 kcal/kg; le travail de compression de 1 kg de J à C est égal à 17 kcal/kg.
La quantité y de vapeur disponible pour un travail utile est égale à:
62,7/17-1=3,67- 1=2,67 kg.
Ainsi, pour chaque kilogramme de vapeur nécessaire pour actionner le compresseur, on dispose de 2,67 kg pour un travail utile, au moyen du temps de détente de 288 à 108 kg/cm2. C'est la même quantité y qu'à l'exemple 3.
Comme pour l'exemple 3, on peut calculer z à partir de la valeur de l'enthalpie des points F, J et E1, et l'on obtient:
z=2,23 kg.
On obtient un travail utile en détendant 2,67 kg de 288 kg/cm2 jusqu'à 108 kg/cm2 (y), puis en détendant 2,23 kg (z) jusqu'à une pression plus basse, par exemple 72 g/cm2.
Le travail émis utile total est égal à 765 kcal/kg.
La quantité de chaleur nécessaire pour le surchauffeur est égale à 3,67 x (773,3-5600)= 1004 kcal.
La quantité de chaleur nécessaire pour chauffer l'eau est égale à 664 kcal et la quantité de chaleur reçue totale est donc de 1668 kilocalories.
le rendement e est égal à 765/1668=46%.
Les exemples 3 et 4 nécessitent un réchauffeur d'eau d'alimentation, représenté en 20 sur la fig. 6, avec chauffage extérieur.
Un bon moyen pour effectuer un tel chauffage consiste à extraire une partie de la vapeur de la turbine 23' (fig. 7) ou d'un autre type de détendeur utilisé par un travail mécanique utile, après une détente, par exemple jusqu'à la pression p comme représenté sur la fig. 3, puis à utiliser la vapeur ainsi prélevée pour chauffer le condensat.
Le résultat d'un tel procédé, dans les conditions exprimées à l'exemple 4, est donné ci-après et décrit à l'exemple 5.
Exemple 5:
Conditions de fonctionnement du détendeur-compresseur à vapeur à piston libre, comme à l'exemple 4.
1 kg de vapeur surchauffée comprime 3,67 kg de vapeur humide le long de la ligne isentropique JC (fig. 1) de 108 à 288 kg/cm2.
On détend 2,67 kg de vapeur de 288 à 108 kg/cm2; on laisse k kilogrammes de vapeur se détendre de 108 kg/cm2 à 72 g/cm2.
On utilise (2,67-k) kg de vapeur à 108 kg/cm2 pour chauffer le condensat (3,67-k) . 711,2+ k.38,5 = 3,67 x 483,4
d'où k= 1,243 kg.
Le travail émis par la détente dans une ou plusieurs turbines a pour valeur:
2,67 x 62,7+1,243 (711,2442)= 501,6 kcal.
La quantité de chaleur nécessaire (pour le surchauffeur 22) est de: 3,67(773,3-500)= 1003 kcal.
Le rendement e est égal à 500/1003 = 50%.
La fig. 7 représente schématiquement l'application de l'exemple 5 à un système de production d'énergie.
On peut obtenir des rendements encore plus élevés si l'on étend ce principe à l'extraction de vapeur en un grand nombre d'étapes, procédé connu sous le nom de chauffage de régénération.
Comme représenté à la fig. 2, le compresseur à piston libre peut être actionné par de la vapeur dans la zone des mélanges. Un cycle fonctionnant de la sorte est décrit à l'exemple 6. Le procédé de calcul est le même qu'à l'exemple ou donne le mode de séparation et les résultats.
Exemple 6:
Conditions de fonctionnement du compresseur (fig. 2).
Détente: ligne DE
Point D (sur la ligne de vapeur saturée)
P= 72kg/cm2
Température 284-C
Enthalpie h= 655 kcal/kg
Point E: p = 3,6 kg/cm2
h = 536,2 kcal/kg
Point J: p= 3,6 kg/cm2
h= 379,5 kcal/kg
Point C: P= 72 kg/cm2
h=441 kcal/kg
Au point D, il faut 1 kg de vapeur pour actionner le compresseur; on dispose pour effectuer en travail utile de 0,424 kg pour la détente jusqu'à une pression plus basse, par exemple 72 g/cm2.
En utilisant la nomenclature des exemples 3 à 5, on a:
y=0,936
z = 0,761, quand toute la vapeur condensée à la plus basse pression est réchauffée extérieurement jusqu'à la température de saturation correspondant à p (fig. 2); dans le présent exemple, p=3,6 kg/cm2 et T1 = l380C.
Travail émis: (0,424 x 120) +0,761(536,2-426 > 196 kcal
Quantité de chaleur reçue par la chaudière
(point C à point D, fig. 2):
1,936 (655c41)=415 kcal
Chaleur absorbée (chauffage de l'eau):
0,761 (137,5-38,5)=75 kcal
196 Rendement e= = =40%
415+75
Comme à l'exemple 5, on peut chauffer le condensat avantageusement avec de la vapeur d'eau.
En utilisant la même nomenclature qu'à l'exemple 5, si on laisse k kilogrammes de vapeur d'eau se détendre de 3,6 kg/cm2 à 72 g/cm2 et si l'on utilise (y-k) kg pour chauffer le condensat, on a: (1,936-k). 536,2+ k. 38,5 = 1,936 x 379
d'où k= 0,609 kg
Travail émis: 0,936 x 120+0,609 x 109,4=178,2 kcal/kg
Travail absorbé: 415 kcal/kg
178,2
Rendement e= - =43 /O.
415
Les exemples 3 à 6 représentent une détente et une compression isentropiques et montrent que dans tous les cas, il faut ajouter de la vapeur d'eau à la fin du temps de détente dans le détendeur-compresseur à piston libre pour faire passer le condensat chauffé et sous pression en F (fig. 1 à 3), au point caractéristique J voulu.
En pratique, si l'on tient compte de facteurs comme L'écart par rapport a l'isentropie au cours de la détente et de la compression, et la baisse de pression dans les surchauffeurs, on constate que les rapports des quantités w, y et z (en utilisant la nomenclature précédente) peuvent se modifier à un point tel qu'il soit nécessaire de prélever de la vapeur d'eau dans le détendeur-compresseur, avant d'ajouter de l'eau et avant la recompression.
Cela risque de se produire dans la majorité des cas.
Un exemple numérique de cycle avec réchauffage, utile pour la production d'énergie, est donné à l'exemple 7, et la fig. 8 est un schéma pH avec données numériques pour les points caractéristiques de ce schéma.
Exemple 7:
Etats de la vapeur pour un compresseur à vapeur, à piston libre (fig. 8):
A la fig. 9, 22" désigne un surchauffeur; 21" un détendeurcompresseur; 23" un détendeur haute pression (turbine); 24" un détendeur basse pression (turbine); 25" un condenseur; 27" un réchauffeur; et 26" un réchauffeur d'eau de régénération.
Ligne en trait plein DlE: détente isentropique.
Ligne D1E1 en pointillés: détente réelle.
Ligne en trait plein JC: compression isentropique.
Ligne en pointillés JC1: compression réelle.
Les lignes D1 E1 et JC1 représentent un écart de 10% par rapport à la véritable détente isentropique (représentée par D1E) et la véritable compression isentropique (représentée par JC). La ligne C1Dl traduit une baisse de pression de 7,2 kg/cm2 à la traversée du surchauffeur sous forte pression, E1Gl traduit une chute de pression de 7,2 kg/cm2 au cours du stade de réchauffage.
La ligne G1 M1 traduit un écart de 10% par rapport à la véritable détente isentropique; autrement dit le rendement n'est que de 90%.
Caractéristiques de la fig. 8:
Détente à haute pression= ligne D1El.
Point D1: p=280,8 kg/cm2; température 5400 C,
h (enthalpie) = 775,5 kcal/kg
Point El: p= 108 kg/cm2, h= 721,6 kcal/kg
Point J: h= 572 kcal/kg
Point C1: h= 608,3 kcal/kg
Point F: h=336 kcal/kg
Travail émis par la détente de 1 kg de vapeur d'eau de D1 à
E1 = 53,7 kcal/kg.
Travail de compression de 1 kg de J à C1 = 36 kcal/kg.
La quantité y de vapeur disponible pour un travail utile est égale à: 53,7/36,3 - 1 = 0,482 kg
Des valeurs de l'enthalpie pour les points F, J et E, on déduit comme suit la quantité z de vapeur disponible au point E1 pour un nouveau travail utile:
z x 336 + (1,482-z) x 721,6 = 1,482 x 572
d'où z= 0,579 kg; autrement dit, on peut prélever 0,579-0,482=0,097 kg de vapeur dans le détendeur-compresseur à la fin de la détente, et cette quantité peut servir à une nouvelle détente jusqu'à une pression plus faible.
On obtient un travail utile en détendant 0,482 kg de 280,8 à 108 kg/cm2; et 0,482 + 0,097 = 0,579 kg pour la détente ou chauffage de régénération, après un nouvel apport de chaleur.
Des valeurs de l'enthalpie pour les points G1, N et F, on déduit k:
k x 38,5 + (0,579-k) x 821,26= 0,579 x 336
d'où k=0,358 kg, disponible pour une détente de 100,8 kg/cm2 jusqu'à 72 g/cm2.
Le travail total émis a pour valeur:
0,482 x 53,68+0,358 x 294,8= 131,45 kcal/kg
Quantité totale de chaleur nécessaire:
pour le surchauffeur:
1,482 (775,5-608,3)= 247 kcal/kg
pour le réchauffage:
0,579 (821,26721,6) 57,2 kcal/kg
Le rendement a pour valeur:
131,45
e= =43,3%.
247+57,2
Utilisé de cette manière, le détendeur-compresseur représenté sur les fig. 4A à 4E nécessiterait une modification de la soupape 8, et celui qui est représenté sur les fig. 5A à 5E nécessiterait des modifications dans les soupapes 15, 15' et 15". Ces soupapes serviraient à prélever une quantité mesurée de vapeur à l'état E1 sans modifier les caractéristiques des parties extraites, qui peuvent fournir un travail complémentaire, ou de la partie restante. Les types de soupapes qui peuvent servir à cette fin pour des systèmes à simple effet et des systèmes à double effet sont décrits de façon détaillée dans la demande de brevet citée plus haut.
La fig. 9 montre comment on peut appliquer ce principe à la production d'énergie. Pour la production d'énergie, on peut obtenir un rendement élevé en utilisant au moins deux étages pour la détente et la compression, c'est-à-dire en utilisant deux ou plusieurs étages de détente-compression. Un exemple numérique d'un système producteur d'énergie de ce type est décrit à l'exemple 8, et la fig. 10 représente le schéma pH (pression en fonction de 1'enthalpie) indiquant les valeurs numériques correspondant aux points caractéristiques principaux. On admet qu'il y a un écart de 10% sur l'entropie, aussi bien pour la détente que la compression, et une chute de pression de 7,2 kg/cm2 dans le surchauffeur à haute pression et de 3,6 kg/cm2 dans le réchauffeur.
Exemple 8:
Etats de la vapeur pour un compresseur à vapeur à piston libre (fig. 10).
a) Etage haute pression: ligne en trait plein D1E, détente isentropique; ligne en pointillé D1El, détente réelle; ligne en trait plein JC, compression isentropique; ligne en pointillé JC1, compression réelle.
La ligne C1Dl en pointillé révèle une chute de pression de 7,2 kg/cm2 dans le surchauffeur, et la ligne en pointillé EG révèle une chute de pression de 3,6 kg/cm2 dans le réchauffeur.
En utilisant la nomenclature et les procédés des exemples précédents, on obtient:
y=0,495 kg (disponible pour un travail utile).
Au point E1, la totalité de la vapeur d'eau servant à actionner le compresseur (w kg) et des y kilogrammes servant à la détente dans l'étage haute pression pour un travail utile (par exemple, dans une turbine) subit un réchauffage. Une fraction est nécessaire pour actionner le détendeur-compresseur basse pression; une fraction est disponible pour un travail utile. Si w= 1 kg et y=0,495 kg, on a: w+y= 1,495 kg.
b) Etage basse pression: ligne G1M en trait plein, détente isentropique; ligne en pointillé MIMI, détente réelle; ligne J1J en trait plein, compression isentropique; ligne en trait plein J2J, compression réelle.
Etant donné que la totalité de la vapeur d'eau (1,495 kg utilisé dans le système) doit être comprimée, la quantité de vapeur en G1 nécessaire pour faire fonctionner le détendeur-compresseur basse pression est égale à 1,56/1,845 = 0,96, et l'on dispose de 1,495-0,96 = 0,53 kg pour un travail utile dans l'étage basse pression.
Au point M1, 39% de la quantité totale de vapeur sont condensés. On réalise cela très facilement en condensant la majeure partie de la vapeur utilisée dans la turbine basse pression, et en renvoyant le reste dans le détendeur-compresseur basse pression, de la façon décrite à l'exemple 3. Sur la fig. 11, la quantité de vapeur condensée est indiquée par la lettre k.
Travail utile (étage haute pression): 0,495 > < x 82,5 82,5 kcal=41,1 kcal
Travail utile (étage basse pression):
0,53 x 205,7= 108,9 kcal
Travail utile total: 149,9 kcal quantité de chaleur nécessaire (pour le surchauffeur haute pression): 1,495 (803,5-605)= 296 kcal quantité de chaleur nécessaire (pour le réchauffeur):
1,495 (834,9-720) = 170 kcal quantité totale de chaleur nécessaire:
466,4 kcal
149,9 Rendement e= = = 32,2%.
466,4
La fig. 1 1 montre comment on peut appliquer à la production d'énergie ce procédé d'utilisation de détendeurs-compresseurs à piston libre.
Sur la fig. 11, la référence 210 désigne un détendeur-compresseur haute pression; 220 est un surchauffeur; 210' un détendeurcompresseur basse pression; 270 un réchauffeur; 250, un condenseur; 230, un détendeur haute pression; et 230' un détendeur basse pression (turbine).
REVENDICATION I
Procédé de production d'énergie dans un moteur à combustion externe, caractérisé par le fait qu'il consiste à porter une vapeur condensable à une température donnée, sous une pression donnée, à détendre une première partie de cette vapeur condensable chauffée dans une zone de production de travail, à détendre la seconde partie de cette vapeur dans une seconde zone, à ajouter le liquide obtenu par la condensation de la première partie de la vapeur condensable, à cette seconde partie pour former un poids de vapeur supérieur au poids de cette seconde partie mais ayant une entropie plus faible, et à utiliser le travail fourni par la détente de la vapeur dans la seconde zone pour comprimer la vapeur détendue dans cette seconde zone, après détente, et le liquide ajouté, jusqu'à la pression initiale donnée.
SOUS-REVENDICATIONS
1. Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait que l'on ajoute à ce liquide, avant la compression, une autre partie de vapeur présentant les mêmes caractéristiques que ladite seconde partie de vapeur après sa détente.
2. Procédé selon la sous-revendication 1, caractérisé par le fait que la quantité de nouvelles parties de vapeur ajoutée audit liquide et déterminée par l'entropie de la vapeur au point caractéristique donné, au début de la compression, et le maintien d'une quantité constante de fluide agissent pour une production d'énergie donnée.
3. Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait que l'on prélève avant la compression une fraction de cette seconde partie de vapeur sans changer les caractéristiques de cette der nière.
4. Procédé selon la sous-revendication 3, caractérisé par le fait que la quantité de seconde partie de vapeur extraite avant la compression est définie par l'entropie de la vapeur au point caractéristique donné au début de la compression, et le maintien d'une quantité constante de fluide actif pour une production d'énergie donnée.
5. Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait que le liquide est ajouté au cours de la compression de la seconde partie de vapeur.
6. Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait que le liquide est ajouté avant la compression de la seconde partie de vapeur.
7. Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait que le liquide est ajouté avant et pendant la compression de la seconde partie de vapeur.
8. Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait que la vapeur condensable est de la vapeur d'eau, que l'on ajoute de l'eau à la seconde partie de vapeur plus une nouvelle partie de vapeur présentant les memes caractéristiques de cette seconde partie, après détente, pour obtenir un poids de vapeur d'eau supérieur au poids de cette seconde partie mais ayant une entropie plus faible, et que l'on utilise le travail fourni par la détente de la vapeur d'eau dans la seconde zone pour comprimer, jusqu'à la pression initiale donnée, la vapeur d'eau détendue dans cette seconde zone, plus une nouvelle partie de vapeur d'eau présentant les mêmes caractéristiques que cette seconde partie après détente, plus la quantité d'eau ajoutée.
9. Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait que le travail fourni dans cette seconde zone est pratiquement égal au travail dépensé à la compression.
10. Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait que la la détente, dans la seconde zone, se produit dans la région de surchauffe, et que la compression se produit dans la région des mélanges.
11. Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait que la détente de la seconde zone commence dans la région de surchauffe et finit dans la région des mélanges, et que la compression s'effectue dans la région des mélanges.
12. Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait que la détente dans la seconde zone s'effectue d'un point situé audessus de la pression critique à un point situé dans la région de surchauffe, et que la compression s'effectue suivant la ligne d'entropie constante passant par ledit point critique ou à son voisinage.
13. Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait que la détente dans la seconde zone s'effectue d'un point situé audessus de la pression critique à un point situé dans la région de surchauffe, et que la compression peut s'effectuer suivant une ligne quelconque d'entropie constante comprise entre la ligne de liquide saturé et la ligne de vapeur saturée.
14. Procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait que la détente dans cette seconde zone et la compression s'effectuent toutes deux dans la région des mélanges.
REVENDICATION II
Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens permettant de porter une vapeur condensable à une température donnée sous une pression donnée, des deuxièmes moyens permettant de détendre une première partie de la vapeur condensable chauffée au cours d'un cycle de production d'énergie, des troisièmes moyens permettant de détendre la seconde partie de vapeur chauffée, des quatrièmes moyens permettant d'ajouter le liquide obtenu par la condensation de la première partie de la vapeur condensable pour constituer un poids de vapeur supérieure au poids de cette seconde partie mais ayant une entropie plus faible et des cinquièmes moyens permettant d'utiliser le travail fourni dans ces troisièmes moyens de détente,
pour y comprimer la vapeur qui s'y est détendue et la ramener à la pression initiale donnée.
SOUS-REVENDICATIONS
15. Dispositif de production d'énergie selon la revendication II, caractérisé par le fait qu'il comprend des sixièmes moyens, permettant d'ajouter audit liquide une nouvelle partie de vapeur ayant les mêmes caractéristiques que la seconde partie de vapeur après sa détente antérieurement à la compression dudit liquide jusqu'à la pression initiale donnée.
16. Dispositif selon la revendication II, caractérisé par le fait qu'il comprend des septièmes moyens permettant d'extraire une fraction de cette seconde partie de vapeur sans modifier les caractéristiques de cette dernière.
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
The present invention relates to a method for producing energy in an external combustion engine.
Numerous and expensive tests have been undertaken to apply the Rankine cycle to vehicles running on the ground instead of the conventional Otto and Diesel cycles, in particular due to the lower air pollution provided by the external combustion systems used. for the admission of heat in the cycle of
Rankine.
It is also advantageous to increase the thermal efficiency of steam power stations for the production of electrical energy and, in this way, to reduce both air pollution and thermal pollution, while saving fuel.
The invention relates to a method for the production of energy by external combustion, technically feasible and advantageous from a commercial point of view, usable as an energy production cycle for vehicle engines and stationary engines, as well as for the production of energy. electricity, ensuring a greater reduction in air pollution and better efficiency than the known Rankine cycle and which, moreover, has the following advantages:
:
(a) be applicable to all possible combinations of reciprocating, turbine and direct displacement rotary machines and compressors;
b) to ensure a significant improvement in thermal efficiency and, consequently, a reduction in fuel consumption compared to internal combustion gasoline and spark ignition engines and conventional steam engines operating according to the Rankine cycle;
c) operate with a strong reduction in the condenser load and a corresponding reduction in the dimensions and weight of the condenser, compared to installations of the same power operating according to the Rankine cycle;
;
d) easily adapt to the propulsion systems of automobiles, have better efficiency and be less polluting, be suitable for mass production, and have an acceleration response time comparable to that of passenger cars, have a high dependable, inexpensive to maintain, have a reasonable duration of use and start-up;
e) be able to adapt to the production of electrical energy in thermal stations, ensure better fuel efficiency, be less thermally polluting and, when the heat source is coal, be less polluting for the air.
The drawing represents, by way of example, several embodiments of the invention.
In particular, if the invention is described below in the case of the use of water vapor as condensable vapor, it is quite certain that one could have recourse to other condensable vapors.
On these drawings:
fig. 1 is a phase diagram for water, wet steam and superheated steam, in which the pressure P of the steam is plotted on the ordinate, as a function of the enthalpy (H) plotted on the abscissa;
fig. 2 is another phase diagram showing that water vapor can expand from a given pressure and then be recompressed to that pressure only in the mixture zone;
fig. 3 is the phase diagram of another variant of the invention;
figs. 4A to 4E show an embodiment of an apparatus ensuring the expansion and compression of the vapor in the same cylinder;
figs.
SA to 5E represent another form of free-piston expansion and compression installation making it possible to implement part of the principle according to the invention;
fig. 6 schematically shows an embodiment of an energy production apparatus according to the invention;
fig. 7 shows, schematically, like FIG. 6, another embodiment of such an apparatus;
fig. 8 is a phase diagram representing the characteristic points of an application of the invention according to which the conditions of isentropic expansion and compression are deviated;
fig. 9 is a diagram similar to those of FIGS. 6 and 7 of a power generating apparatus set for non-isentropic expansion and compression;
;
fig. 10 is a phase diagram showing the application of the invention to a number of expansion and compression times greater than unity; finally,
fig. January 1 is a schematic representation, similar to FIGS. 6, 7 and 9, of an energy production device comprising two expansion times and two compression times, with non-isentropic expansion and compression.
The thermodynamic properties of water vapor and other condensable vapors applied to thermal machines are very easily understood if one refers to a phase diagram of water, wet vapor and superheated vapor, diagram where the pressure of the water vapor is plotted on the ordinate as a function of the heat or enthalpy content, like that of fig. 1.
This diagram of fig. 1 corresponds to the case of water but it would be similar for other fluids containing polar groups of relatively low molecular weight, such as for example ammonia gas, carbon dioxide, methanol, ethanol and trifluoroethanol.
In thermal machines and compressors, the expansion and compression of the fluid used, theoretically, both occur at constant entropy. Thus, the expansion between two pressures P and p can be represented by a constant entropy line, like DE, D1 El, D2 E2 or Cj in fig. 1. The value of the work emitted, or work done by the trigger, is given by the length of the projection of the constant entropy line, for example by the projection KG and of the line DE between P and p, on the axis abscissas.
Likewise, the compression from E to D would be done in the opposite direction, along the same isentropic line, and the projection KG would then represent the value of the work done on the system or the work received, or the work in compression.
In a pressure-enthalpy diagram such as that of fig. 1, entropy at any given pressure decreases with enthalpy. In this way, any point of the constant entropy line JC has a lower entropy than any point of the constant entropy lines DE, D1 E1 or D2 E2.
Between any two pressures P and p, the value of the slope of the isentropic line is given by the expression: Pp
projection on the x-axis, that is to say that in FIG. 1, the slope of the isentropic line JC has the value
P-p
IL and that of the isentropic line DE,
P-p
KG
Thus, between any two pressures, the slope of the isentropic line is an inverse function of the work performed during expansion, or of the work performed on the system during compression; in other words, the steeper the slope, the less work performed during expansion or during compression.
Since the slope of the lines of constant entropy of water vapor increases with decreasing entropy, one can obtain, for example by expanding a given weight of superheated vapor from the pressure P to the lower pressure p, in in the case of high entropy (DE, D1 El, D2 E2), a gain in labor greater than the labor required to compress the same weight of liquid and vapor from pressure p to pressure P, in the case of a lower entropy (JC).
On quantitative diagrams similar to those of FIG. 1, we see that it is possible to find conditions such that between two pressures P and p the ratio of the slopes of two isentropic lines is close to 2, or exceeds
this value; in other words, it is provided, by triggering the trigger,
totally or partially, in the overheating zone, between two
given pressures, more work than the work required to compress the same weight of vapor and liquid in the mixing zone, between the same two pressures.
This result is expressed in fig. 1, by the ratio between
KG projection (relaxation work along the isentropic line
DE) and IL projection (work of compression along the isentropic line JC).
This principle was applied to obtaining a significant gain in useful work, in the patent application filed in the States
United States of America under the number 58099.
The provisions set out in this patent application can be applied to the production of water vapor. For this, it is necessary to establish a holder-compressor system in which the work of expansion of the vapor for a given entropy is roughly or, theoretically, completely balanced by the work of compressing a greater weight of vapor than water with lower entropy. As indicated in the examples provided below, it is therefore possible, from the expansion of a given weight of superheated water vapor, for example w kilograms, to provide by compression a weight of (w + y) kilograms saturated steam, or steam in the critical zone, or wet steam, with y greater than zero.
Thus, in the case of FIG. 1, the following operations are carried out:
from D to E, w kilograms of superheated water vapor are expanded, from pressure P to temperature T3, to pressure p to temperature T1. The work issued is equal to KG,
from E to J: we add z kilograms of water and (y-z) kg of water vapor, at point E and at temperature T1. Point J lies on the constant entropy line passing through C; this point C corresponds to the pressure P and it can be found, as represented, on the saturated vapor line,
from J to C: we compress (w + y) kilograms of wet vapor along the isentropic line, from pressure p to pressure P.
We can determine, with regard to w, y, z, the position of point D with respect to C and the pressures P and p, conditions such that the work corresponding to the relaxation of w is rigorously equal to the work necessary to compress the weight (w + y).
from C to D: kg of saturated dry steam is superheated (w + y), from the saturation temperature corresponding to the pressure P to the temperature T3.
In D, the water vapor divides into two parts; w kg of superheated water vapor in D is required for an expansion which allows to obtain by compression (w + y) kg of wet water vapor from J to C, and y kg of superheated water vapor is available in D for useful work, for example for expansion in a turbine.
In what has been said above, point C and point E were both on the saturated vapor line, i.e. the compression JC and the expansion DE both end on the saturated vapor line, but one can adopt other conditions. In fig. 1, D1 is chosen such that a very large quantity of superheated steam remains at the end of the expansion; D2 E2 shows an isentropic expansion starting from the superheating region and ending in the mixing zone. We can, in the same way, arrange so that the compression is such that the point
C is on the saturated vapor line, inside the mixing zone, in the superheat zone, below the critical pressure or in the critical zone.
Fig. 2 shows how both expansion and compression can take place in the mixing zone.
Fig. 3 shows an arrangement in which the expansion occurs at a pressure greater than or close to the critical pressure, from a point in the superheating zone to a point which may be in the superheating region, on the saturated vapor line, or in the mixing zone, while the compression takes place along a constant entropy line passing through or near the critical point.
Other positions can be chosen for the JC line, inside the vapor dome of the curve of fig. 3.
In each of the three cases shown in Figs. 1 to 3, when the conditions are chosen so that the expansion work is much greater than the compression work, it is noted that, at the end of the expansion, it is necessary to bring in the heated condensate and under pressure at F, in fig. 1, 2 and 3, at the desired entropy J, at a point on the line FE of constant temperature and pressure, an amount of steam greater than what is normally required to provide the emitted work required in the expansion valve compressor.
An advantageous source for obtaining the added water vapor consists in expanding, in a separate regulator (see fig. 1, 6 and 7) the fraction of vapor available to perform useful work, in at least two stages, of which the first occupies a pressure range which is that of the operation of the expansion valve-compressor. At the end of this stage of relaxation, the water vapor splits in two; a fraction is added to the vapor which has relaxed in the expansion valve-compressor, the two vapor fractions then being in the same state. As for the other fraction of vapor, which has already done useful work, it is allowed to expand to a lower pressure, in a suitable pressure reducing valve, to do useful new work.
The numerical examples given below, and the application of the principles stated above and shown in FIGS. 6 and 7, are based on the process described in this paragraph. A special case, in which conditions can be chosen, occurs when the fraction of water vapor added to the already expanded steam, in the expansion valve-compressor, is zero, that is to say when one does not add than water.
In practice, as will be shown later, it is more common to have to withdraw water vapor from the expansion valve-compressor at the end of the expansion.
In the theoretical cases described below, where both water vapor and water are added to the expanded vapor before compression, the series of operations is as follows:
At maximum pressure and temperature (characteristic point D, fig. 1, D in fig 2 and Dl in fig. 3), there are w + y kilograms of water vapor; w kg are required to operate the expansion valve-compressor; y kg are available to do useful work; y kg are released in a pressure reducing valve between pressures P and p ', same operating range as for the pressure reducing valve-compressor.
At point E, in fig. 1 and 2, or at point E1 in fig. 3, the vapor separates into two fractions, (y-z) and z (see fig. 6 and 7); z kg, with or without reheating, expand to a certain lower pressure; they are condensed, reheated under pressure along the saturated liquid line, preferably using regenerative means, up to point F (fig. 1 to 3). We add (w + yz) kg of steam in E (fig. 1 and 2) or in E1 (fig. 3), to the expanded steam which actuates the expansion valve-compressor, while the piston continues to move, so that the vapor pressure which prevails there does not vary.
Thus, at the point of maximum volume in the expansion valve-compressor, there is a weight of w + (y-z) kg of water vapor, under pressure p. In the case shown in FIGS. 1 and 2, this vapor is at temperature T1; z kg of water are then added at temperature T1, in F, to (w + y-z) kg of steam. The (w + y) kg of wet vapor in state J which result therefrom are compressed by the return stroke of the piston or pistons towards point C; (w + y) kg of water vapor are then brought to state D, by a vapor separator and a boiler (fig. 2) or a superheater (fig. 1), and the cycle begins again.
In the case shown in FIG. 3, when the first expansion time ends in the superheating zone, the water at F is at a temperature lower than that of the steam at El. In this case, water must be added at a rate such as that the pressure remains constant until the steam is saturated and no further drop in temperature occurs. This can be achieved by adjusting the rate of water admission to the expanded steam at the start of the compression stage.
It emerges from the foregoing that it is necessary to provide means for splitting the water vapor used for the useful work into at least two parts, after the first expansion time, which corresponds to the range of operating pressures of the regulator. compressor, and the means for adding one of these parts to the expanded steam before the water inlet.
It will be understood from the above that a part of the water vapor is expanded only to provide the work necessary for the operation of a compressor, and, in principle, any combination of expansion valve could be used. and compressor (rotary-reciprocating, turbine and direct displacement).
No useful net work comes from this combination, and it is better if it is the cheapest and simplest possible and the yield is better.
An advantageous arrangement consists in expanding and compressing the steam in the same cylinder and, so that the mechanisms are as less complex as possible, these operations can be carried out using a free-piston expansion valve-compressor.
A useful simplification is achieved if the expansion of vapor under a given entropy and the compression of a greater amount of vapor under less entropy take place in the same cylinder. A simplified diagram of such an expansion valve-compressor is described in Example 1 and shown in FIGS. 4A to 4E which include the following elements:
a vapor expansion and compression cylinder 1;
bouncing chambers 2, 2 'containing air;
expansion and compression pistons 3, 3 'which act in cylinder 1;
pistons 4, 4 'of the rebound chambers;
a valve 5 for admitting superheated steam under high pressure;
an exhaust valve 6 and outlet connected to a superheater;
an inlet valve 7 and an inlet for the admission of a calculated weight of water into the cylinder 1;
and an inlet 8 for the admission, into the cylinder, of the steam expanded under the pressure p (as shown in Figs. 1 to 3).
The following operations are carried out:
1. Start of the trigger (fig. 4A): the pistons 3, 3 'almost touch and move outwards; valve 5 (inlet of superheated steam) is open; valve 6 (exhaust to the superheater) is closed; valve 7 (water inlet) is closed, and valve 8 (steam inlet expanded under pressure p) is closed.
2. At mid-trigger (fig. 4B):
The pistons move outward; The air in the rebound cylinders 2, 2 'is compressed; valves 5 to 7 are closed; valve 8 (inlet of water vapor under pressure p) begins to open.
3. End of the trigger (fig. 4C):
Valve 5 (inlet of superheated steam) is closed; valve 6 (outlet to the superheater) is closed; valve 7 (water inlet) is open, and valve 8 (steam inlet at pressure p) closes.
4. At mid-compression (fig. 4D):
The pistons move inwards under the effect of the expansion of the compressed air in the rebound cylinders; valve 5 (inlet of superheated water vapor) is closed; valve 6 (outlet to the superheater) is closed but begins to open; valve 7 (water inlet) closes and valve 8 (steam inlet under pressure p) is closed.
5. End of the compression time (fig. 4E):
Valve 5 (intake of superheated steam) opens; valve 6 (outlet to the superheater) closes; valve 7 (water inlet) is closed and valve 8 (steam inlet under pressure p) is closed, and the cycle begins again.
According to another embodiment of a free piston compressor, described in Example 2 and shown in FIGS. 5A to 5E, instead of using rebound cylinders to cause the two pistons to move inward, steam is used to drive the pistons in both directions; such an expansion valve-compressor is double-acting.
Figs. 5A to 5E comprise the following members: a cylinder 10; pistons 11 and 11 'which move in cylinder 10; intake valves 12, 12 ', 12 "for high pressure steam: exhaust valves 13, 13', 13" and outlets connected to a superheater; valves 14, 14 ', 14 "for the admission of a calculated weight of water in the cylinder 10, and valves 15, 15', 15" for the admission of steam under pressure p (fig. 1 to 3).
The series of operations can be as follows:
1. Beginning of the outward trigger (fig. 5A): the pistons are almost in contact; the volume at each end of the cylinder contains (w + y-z) kg of expanded steam.
The valve 12 (high pressure water vapor inlet valve in the central part of the cylinders) is opened, to admit 2 w kilograms of high pressure steam; valves 12 ', 12 "(high pressure steam inlet valves at the ends of the cylinder) are closed; valves 13, 13', 13" (exhaust valves to the superheater) are closed; valve 14 (water inlet in the center of the cylinder) is closed; the valves 14 ', 14 "(water inlet at the ends of the cylinder) are open; z kilograms of water are injected at each end of cylinder 1 while the pistons move outwards, and the valves 15, 15 ', 15 "(water vapor inlet valves under pressure p) are closed.
2. In the middle of the outward movement (fig. 5B), valves 12, 12 'and 12 "(inlet of high pressure water vapor) are closed; valve 13 (outlet from the central part of the valve). cylinder to the superheater) is closed; the valves 13 'and 13 "(exhaust valves from the ends of the cylinder to the superheater) begin to open; valve 14 (water inlet valve in the center of the cylinder) is closed; valves 14 ', 14 "(water inlet valves at the ends of the cylinder) begin to close; valve 15 (water vapor inlet under pressure p in the central part of the cylinder) begins to close; open, and the valves 15 'and 15 "(steam inlet valves under pressure p at the ends of the cylinder) are closed.
3. End of placement towards the outside (fig. 5 C):
The central part of the cylinder then contains a weight of 2 w + 2 (y-z) kilograms of relaxed vapor; the valve 12 (admission of water vapor under high pressure in the central part of the cylinder) is closed; the valve 13 (outlet valve from the central part of the cylinder to the superheater) is closed; valve 14 (water inlet in the central part of the cylinder) is open; 2z kilograms of water are injected during the movement of the pistons inward; the valve 15 (the water vapor inlet valve under pressure p in the central part of the cylinder) is closed; valves 12 'and 12 "(high pressure water vapor inlet valves in the ends of the cylinder) open almost completely;
the valves 13 ', 13 "(exhaust valves from the ends of the cylinder to the superheater) are closed; the valves 14', 14" (water inlet valves in the ends of the cylinder) are closed, and the valves 15 ', 15 "(inlet of steam under pressure p in the ends of the cylinder) are closed.
4. In the middle of the inward movement (fig. 5D): the valve 12 (admission of high pressure water vapor into the central part of the cylinder) is closed; valve 13 (exhaust valve from the central part of the cylinder to the superheater) begins to open; valve 14 (water inlet valve in the central part of the cylinder) begins to close; the valve 15 (admission of water vapor under the pressure p in the central part of the cylinder) is closed; valves 12 'and 12 "(admission of high pressure water vapor into the ends of the cylinder) are closed; valves 13', 13" (exhaust valves from the ends of the cylinder to the superheater) are closed;
valves 14 'and 14 "(water inlet at the ends of the cylinder) are closed and valves 15' and 15" (water vapor inlet under pressure p in the ends of the cylinder) open.
5. End of inward movement (fig. 5E): valve 12 (high pressure steam inlet valve in the central part of the cylinder) is almost completely open; valve 13 (exhaust valve from the central part of the cylinder to the superheater) closes almost completely; valve 14 (water inlet valve in the central part of the cylinder) is closed; the valve 15 (admission of water vapor under the pressure p in the central part of the cylinder) is closed; valves 12 'and 12 "(high pressure steam inlet valves in the ends of the cylinder) are closed; valves 13', 13" (exhaust valves from the ends of the cylinder to the superheater) are closed;
the valves 14 ', 14 "(water inlet at the ends of the cylinder) open almost completely and the valves 15', 15" (water vapor inlet under pressure p in the ends of the cylinder) close close almost completely, and the cycle begins again.
Several known methods can be applied to properly hold pistons in place relative to each other, for example the non-mechanical method described in the US Pat.
United States of America No. 3,127,881, and the simple mechanical process described in U.S. Patents Nos. 3369530 and 3369738.
How to adapt the free-piston steam compressor to an energy production cycle will be described below in Examples 3 to 5 and illustrated schematically in FIGS. 6 rt 7.
(The elements of fig. 7 homologous to those of fig. 6 are designated by the same number, assigned the sign prime). Example 3:
Steam characteristics for the free-piston steam compressor, fig. 1, isentropic expansion DE: the temperature T2 of the steam leaving the superheater 22 is 540 "C; the pressure P of the steam leaving this superheater = 72 kg / cm2. It expands w kilograms of water vapor in the free-piston expansion valve 21 (fig. 6) to the saturated steam line.
The conditions indicated above correspond to the isentropic expansion DE shown in fig. 1; the pressure at the end of this relaxation time (p in fig. 1) is approximately 3.9 kg / cm2.
It expands in kilograms of steam at 5400 C under a pressure of 72 kg / cm2, when it leaves the superheater 22 (fig. 6), by a turbine 23 or a regulator of another type, up to the pressure p (3.9 kg / cm2).
We divide y kilograms of steam at a pressure of p = 3.9 kg / cm2 into two parts: z kg and (y-z) kg, without modifying the characteristics of each part.
At the end of the compression of w kg of vapor in the expansion valve-compressor, the expansion of the chamber containing this expanded vapor is continued, by displacement of the pistons, to entrain (yz) kilograms of vapor at the pressure p = 3.9 kg / cm2 in the volume, without modifying the characteristics of the w kg of steam which are already in this volume, nor the (yz) kg of steam entrained by the movement of the piston or pistons which continues.
Z kilograms of steam are expanded at pressure p and temperature T1 (as shown in Fig. 1), in a turbine 24 or other type of pressure reducing valve, to a lower pressure and temperature (for example, 72 g / cm2), to do useful work. All this vapor is condensed (z kg); by appropriate means 25 (external heating or by regeneration), the condensate is heated under pressure to the temperature T1, indicated in FIG. 1.
Z kilograms of condensate are added at temperature T1 (corresponding to the pressure p = 3.9 kg / cm2), to w + (yz) kg of steam at the pressure of 3.9 kg / cm2 in the expansion valve-compressor, and the whole of w + (y = z) fz = (w + y) kg is recompressed to the pressure p = 72 kg / cm2 by returning the piston or pistons to the expansion valve-compressor.
This corresponds to the JC line of isentropic compression in fig. 1, and, under the conditions stated, a saturated dry vapor is obtained at 72 kg / cm2.
To facilitate calculations, we take w equal to 1 kg.
The work emitted by the relaxation of 1 kg of steam is 183 kilocalories. The work of compressing 1 kg of steam along the line JC in fig. 1 where p = 72 kg / cm2 and p = 3.9 kg / cm2, is equal to
117 kilocalories. Therefore, 1 kg of steam at 540 + 72 kg / cm2 expanding at 3.9 kg / cm2, can compress 183/117 = 1.555 kg of steam having composition J as shown in fig. 1 to point C (which in this example is 72 kg / cm2 on the saturated vapor line).
The enthalpy has the following values respectively for the points F, J and E: 140, 539 and 646 kilocalories per kilogram, which makes it possible to calculate the weight z.
As stated above, 1 + y = 1.555 kg; y = 0.555 kg and z. 140+ (1.555-z). 646 = 1.555 x 539
hence z = 0.331 kg.
In other words, 0.555 kg of water vapor is available to perform useful work during the expansion time from 72 to 3.9 kg / cm2, and 0.331 kg to perform new useful work by useful expansion by expansion of 3.9 kg / cm2 up to 72 g / cm2.
Total useful emitted work = 66.6 kilocalories.
Heat required (overloader) = 121.5 kilocalories.
Heat required (water heating) = 15 Kcal.
Total amount of heat required = 136.8 Kcal.
Yield e = 66.6 / 136.8 = 48.5%.
The yield is further increased by using part of the steam (z kg at point E, Fig. 1) to heat the water. This is done very well in stages, so called regenerative heating.
It is also advantageous in the case of the invention, to bring the steam (z kg) to the maximum temperature before carrying out a new expansion. As is well known, as many reheating stages can be used as useful.
With a low compression ratio and a maximum pressure located in or near the critical zone, a given weight of superheated vapor expanding in the free-piston expansion valve 21 compresses several times its weight of wet vapor.
Example 4 gives a numerical case of an energy production cycle implementing such conditions. The conditions relating to the expansion valve-compressor 21 are represented in a non-quantitative manner by the isentropic expansion D1E1 and the compression JC, in FIG. 3.
Example 4:
Characteristics of steam for a steam compressor (fig. 3).
At point D1 p = 288 kg / cm2; temperature = 5400 C; enthalpy = 773.3 kilocalories per kilogram.
At point E1, p = 108 kg / cm2, h = 711.2 kcal / kg
At point J, p = 108 kg / cm2, h = 483.4 kcal / kg
At point C, p = 288 kg / cm2, h 500 kcal / kg
At point F, p = 180 kg / cm2, h = 336 kcal / kg
W kg of steam superheated at point D1 by expanding to E1 compress (w + y) kg of wet steam from J to C.
To simplify, we will take w = 1 kg.
The work emitted by the relaxation of 1 kg from D1 to E1 is equal to 62.7 kcal / kg; the compression work of 1 kg from J to C is equal to 17 kcal / kg.
The quantity y of steam available for useful work is equal to:
62.7 / 17-1 = 3.67- 1 = 2.67 kg.
Thus, for each kilogram of steam needed to operate the compressor, 2.67 kg are available for useful work, by means of the expansion time of 288 to 108 kg / cm2. This is the same quantity y as in example 3.
As for example 3, we can calculate z from the value of the enthalpy of points F, J and E1, and we obtain:
z = 2.23 kg.
Useful work is obtained by relieving 2.67 kg from 288 kg / cm2 up to 108 kg / cm2 (y), then relaxing 2.23 kg (z) to a lower pressure, for example 72 g / cm2.
The total useful work emitted is equal to 765 kcal / kg.
The amount of heat required for the superheater is equal to 3.67 x (773.3-5600) = 1004 kcal.
The amount of heat needed to heat the water is equal to 664 kcal, so the total amount of heat received is 1668 kilocalories.
the yield e is equal to 765/1668 = 46%.
Examples 3 and 4 require a feed water heater, shown at 20 in FIG. 6, with outdoor heating.
A good way to effect such heating is to extract part of the steam from the turbine 23 '(fig. 7) or from another type of expansion valve used for useful mechanical work, after expansion, for example to the pressure p as shown in FIG. 3, then using the steam thus taken to heat the condensate.
The result of such a process, under the conditions expressed in Example 4, is given below and described in Example 5.
Example 5:
Operating conditions of the free piston steam pressure reducer-compressor, as in Example 4.
1 kg of superheated steam compresses 3.67 kg of wet steam along the JC isentropic line (fig. 1) from 108 to 288 kg / cm2.
2.67 kg of steam are released from 288 to 108 kg / cm2; k kilograms of steam are allowed to relax from 108 kg / cm2 to 72 g / cm2.
(2.67-k) kg of steam at 108 kg / cm2 is used to heat the condensate (3.67-k). 711.2+ k. 38.5 = 3.67 x 483.4
hence k = 1.243 kg.
The work emitted by the trigger in one or more turbines has the following value:
2.67 x 62.7 + 1.243 (711.2442) = 501.6 kcal.
The amount of heat required (for superheater 22) is: 3.67 (773.3-500) = 1003 kcal.
The yield e is equal to 500/1003 = 50%.
Fig. 7 schematically shows the application of Example 5 to an energy production system.
Even higher yields can be obtained if this principle is extended to the extraction of steam in a large number of stages, a process known as regenerative heating.
As shown in fig. 2, the free piston compressor can be operated by steam in the mixing area. A cycle operating in this way is described in Example 6. The calculation method is the same as in the example or gives the mode of separation and the results.
Example 6:
Compressor operating conditions (fig. 2).
Relaxation: DE line
Point D (on the saturated vapor line)
P = 72kg / cm2
Temperature 284-C
Enthalpy h = 655 kcal / kg
Point E: p = 3.6 kg / cm2
h = 536.2 kcal / kg
Point J: p = 3.6 kg / cm2
h = 379.5 kcal / kg
Point C: P = 72 kg / cm2
h = 441 kcal / kg
At point D, 1 kg of steam is needed to operate the compressor; 0.424 kg for the expansion to a lower pressure, for example 72 g / cm2, is available to perform useful work.
Using the nomenclature of Examples 3 to 5, we have:
y = 0.936
z = 0.761, when all the vapor condensed at the lowest pressure is reheated externally to the saturation temperature corresponding to p (fig. 2); in the present example, p = 3.6 kg / cm2 and T1 = 1380C.
Work emitted: (0.424 x 120) +0.761 (536.2-426> 196 kcal
Quantity of heat received by the boiler
(point C to point D, fig. 2):
1.936 (655c41) = 415 kcal
Heat absorbed (water heating):
0.761 (137.5-38.5) = 75 kcal
196 Efficiency e = = = 40%
415 + 75
As in Example 5, the condensate can be heated advantageously with steam.
Using the same nomenclature as in Example 5, if k kilograms of water vapor is allowed to expand from 3.6 kg / cm2 to 72 g / cm2 and if (yk) kg is used to heat the condensate, we have: (1.936-k). 536.2+ k. 38.5 = 1.936 x 379
hence k = 0.609 kg
Work emitted: 0.936 x 120 + 0.609 x 109.4 = 178.2 kcal / kg
Absorbed work: 415 kcal / kg
178.2
Yield e = - = 43 / O.
415
Examples 3 to 6 represent isentropic expansion and compression and show that in all cases water vapor must be added at the end of the expansion time in the free piston expansion valve-compressor to pass the heated condensate and under pressure at F (fig. 1 to 3), at the desired characteristic point J.
In practice, if we take into account factors such as the deviation from the isentropy during expansion and compression, and the pressure drop in the superheaters, we see that the ratios of the quantities w, y and z (using the previous nomenclature) may change to such an extent that it is necessary to take water vapor from the expansion valve-compressor, before adding water and before recompression.
This is likely to happen in the majority of cases.
A digital example of a cycle with reheating, useful for the production of energy, is given in example 7, and fig. 8 is a pH diagram with numerical data for the characteristic points of this diagram.
Example 7:
Steam states for a steam compressor, free piston (fig. 8):
In fig. 9, 22 "designates a superheater; 21" an expansion valve-compressor; 23 "a high pressure regulator (turbine); 24" a low pressure regulator (turbine); 25 "a condenser; 27" a heater; and 26 "a regeneration water heater.
Solid line DlE: isentropic expansion.
Dotted line D1E1: real relaxation.
Solid line JC: isentropic compression.
Dashed line JC1: actual compression.
Lines D1 E1 and JC1 represent a 10% deviation from true isentropic expansion (represented by D1E) and true isentropic compression (represented by JC). The C1Dl line reflects a pressure drop of 7.2 kg / cm2 across the superheater under high pressure, E1Gl reflects a pressure drop of 7.2 kg / cm2 during the reheating stage.
The G1 M1 line reflects a deviation of 10% from the true isentropic expansion; in other words the yield is only 90%.
Characteristics of fig. 8:
High pressure expansion = line D1El.
Point D1: m = 280.8 kg / cm2; temperature 5400 C,
h (enthalpy) = 775.5 kcal / kg
Point El: p = 108 kg / cm2, h = 721.6 kcal / kg
Point J: h = 572 kcal / kg
Point C1: h = 608.3 kcal / kg
Point F: h = 336 kcal / kg
Work emitted by the expansion of 1 kg of water vapor from D1 to
E1 = 53.7 kcal / kg.
Compression work of 1 kg from J to C1 = 36 kcal / kg.
The quantity y of steam available for useful work is equal to: 53.7 / 36.3 - 1 = 0.482 kg
From the values of the enthalpy for the points F, J and E, we deduce as follows the quantity z of vapor available at the point E1 for a new useful work:
z x 336 + (1.482-z) x 721.6 = 1.482 x 572
hence z = 0.579 kg; in other words, one can take 0.579-0.482 = 0.097 kg of vapor in the expansion valve-compressor at the end of the expansion, and this quantity can be used for a new expansion down to a lower pressure.
Useful work is obtained by relaxing 0.482 kg from 280.8 to 108 kg / cm2; and 0.482 + 0.097 = 0.579 kg for expansion or regenerative heating, after a new supply of heat.
From the values of the enthalpy for the points G1, N and F, we deduce k:
k x 38.5 + (0.579-k) x 821.26 = 0.579 x 336
hence k = 0.358 kg, available for an expansion of 100.8 kg / cm2 up to 72 g / cm2.
The total work issued has the value:
0.482 x 53.68 + 0.358 x 294.8 = 131.45 kcal / kg
Total amount of heat needed:
for the superheater:
1.482 (775.5-608.3) = 247 kcal / kg
for reheating:
0.579 (821.26721.6) 57.2 kcal / kg
The return has the following value:
131.45
e = = 43.3%.
247 + 57.2
Used in this way, the expansion valve-compressor shown in fig. 4A to 4E would require modification of the valve 8, and the one shown in Figs. 5A to 5E would require modifications in the valves 15, 15 'and 15 ". These valves would serve to take a measured quantity of vapor in the E1 state without modifying the characteristics of the extracted parts, which may provide additional work, or of the vapor. Remaining part The types of valves which can be used for this purpose for single-acting and double-acting systems are described in detail in the patent application cited above.
Fig. 9 shows how this principle can be applied to energy production. For power generation, high efficiency can be obtained by using at least two stages for expansion and compression, i.e. by using two or more stages of expansion-compression. A digital example of a power generating system of this type is described in example 8, and fig. 10 shows the pH (pressure versus enthalpy) diagram showing the numerical values corresponding to the main characteristic points. It is assumed that there is a deviation of 10% on the entropy, for both expansion and compression, and a pressure drop of 7.2 kg / cm2 in the high pressure superheater and 3.6 kg / cm2 in the heater.
Example 8:
Steam states for a free piston steam compressor (fig. 10).
a) High pressure stage: solid line D1E, isentropic expansion; dotted line D1E1, real relaxation; solid line JC, isentropic compression; dotted line JC1, actual compression.
The dotted line C1D1 reveals a pressure drop of 7.2 kg / cm2 in the superheater, and the dotted line EG reveals a pressure drop of 3.6 kg / cm2 in the heater.
By using the nomenclature and the methods of the preceding examples, we obtain:
y = 0.495 kg (available for useful work).
At point E1, all of the water vapor used to operate the compressor (w kg) and the y kilograms used for expansion in the high pressure stage for useful work (for example, in a turbine) undergoes reheating . A fraction is necessary to operate the low pressure expansion valve-compressor; a fraction is available for useful work. If w = 1 kg and y = 0.495 kg, we have: w + y = 1.495 kg.
b) Low pressure stage: line G1M in solid line, isentropic expansion; MIMI dotted line, real relaxation; line J1J in solid line, isentropic compression; full line J2J, actual compression.
Since all the water vapor (1.495 kg used in the system) must be compressed, the quantity of vapor in G1 necessary to operate the low pressure expansion valve-compressor is equal to 1.56 / 1.845 = 0, 96, and we have 1.495-0.96 = 0.53 kg for useful work in the low pressure stage.
At point M1, 39% of the total amount of vapor is condensed. This is done very easily by condensing the major part of the steam used in the low pressure turbine, and by returning the rest to the low pressure expansion valve-compressor, as described in example 3. In FIG. 11, the amount of condensed vapor is indicated by the letter k.
Useful work (high pressure stage): 0.495> <x 82.5 82.5 kcal = 41.1 kcal
Useful work (low pressure stage):
0.53 x 205.7 = 108.9 kcal
Total useful work: 149.9 kcal amount of heat required (for the high pressure superheater): 1.495 (803.5-605) = 296 kcal amount of heat required (for the heater):
1.495 (834.9-720) = 170 kcal total amount of heat required:
466.4 kcal
149.9 Yield e = = = 32.2%.
466.4
Fig. 1 1 shows how this method of using free piston expansion valves-compressors can be applied to energy production.
In fig. 11, the reference 210 designates a high pressure expansion valve-compressor; 220 is a superheater; 210 'a low pressure expansion valve; 270 a heater; 250, a condenser; 230, a high pressure regulator; and 230 'a low pressure regulator (turbine).
CLAIM I
Process for producing energy in an external combustion engine, characterized in that it consists in bringing a condensable vapor to a given temperature, under a given pressure, in expanding a first part of this condensable vapor heated in a zone of production of work, in expanding the second part of this vapor in a second zone, in adding the liquid obtained by the condensation of the first part of the condensable vapor, to this second part to form a weight of vapor greater than the weight of this second part but having a lower entropy, and to use the work done by the expansion of the vapor in the second zone to compress the vapor expanded in this second zone, after expansion, and the added liquid, to the given initial pressure.
SUB-CLAIMS
1. Method according to claim I, characterized in that one adds to this liquid, before compression, another part of vapor having the same characteristics as said second part of vapor after its expansion.
2. Method according to sub-claim 1, characterized in that the quantity of new parts of vapor added to said liquid and determined by the entropy of the vapor at the given characteristic point, at the start of compression, and the maintenance of a constant quantity of fluid acts for a given energy production.
3. Method according to claim I, characterized in that a fraction of this second part of vapor is taken before compression without changing the characteristics of the latter.
4. Method according to sub-claim 3, characterized in that the quantity of second part of vapor extracted before compression is defined by the entropy of the vapor at the characteristic point given at the start of compression, and the maintenance of a constant quantity of active fluid for a given energy production.
5. Method according to claim I, characterized in that the liquid is added during the compression of the second part of vapor.
6. Method according to claim I, characterized in that the liquid is added before the compression of the second part of vapor.
7. Method according to claim I, characterized in that the liquid is added before and during the compression of the second part of vapor.
8. Method according to claim I, characterized in that the condensable vapor is water vapor, that water is added to the second part of vapor plus a new part of vapor having the same characteristics of this second part, after expansion, to obtain a weight of water vapor greater than the weight of this second part but having a lower entropy, and that we use the work provided by the expansion of the water vapor in the second zone to compress, to the given initial pressure, the water vapor expanded in this second zone, plus a new part of water vapor having the same characteristics as this second part after expansion, plus the quantity of water added.
9. The method of claim I, characterized in that the work supplied in this second zone is practically equal to the work spent on compression.
10. The method of claim I, characterized in that the expansion, in the second zone, occurs in the overheating region, and that the compression occurs in the region of the mixtures.
11. The method of claim I, characterized in that the expansion of the second zone begins in the superheating region and ends in the region of the mixtures, and that the compression takes place in the region of the mixtures.
12. Method according to claim I, characterized in that the expansion in the second zone is carried out from a point located above the critical pressure to a point located in the overheating region, and that the compression is carried out according to the constant entropy line passing through said critical point or in its vicinity.
13. The method of claim I, characterized in that the expansion in the second zone is carried out from a point located above the critical pressure to a point located in the overheating region, and that the compression can take place. along any line of constant entropy between the line of saturated liquid and the line of saturated vapor.
14. The method of claim I, characterized in that the expansion in this second zone and the compression both take place in the region of the mixtures.
CLAIM II
Device for carrying out the process according to Claim I, characterized in that it comprises means making it possible to bring a condensable vapor to a given temperature under a given pressure, second means making it possible to expand a first part of the vapor condensable heated during an energy production cycle, third means making it possible to expand the second part of heated vapor, fourth means making it possible to add the liquid obtained by the condensation of the first part of the condensable vapor to constitute a weight of vapor greater than the weight of this second part but having a lower entropy and fifth means making it possible to use the work provided in these third expansion means,
to compress the vapor which has relaxed there and bring it back to the given initial pressure.
SUB-CLAIMS
15. Energy production device according to claim II, characterized in that it comprises sixth means, making it possible to add to said liquid a new part of vapor having the same characteristics as the second part of vapor after its expansion previously. compressing said liquid to the given initial pressure.
16. Device according to claim II, characterized in that it comprises seventh means making it possible to extract a fraction of this second part of steam without modifying the characteristics of the latter.
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