CH632317A5 - Machine aero-hydraulique reversible et utilisation de cette machine. - Google Patents

Machine aero-hydraulique reversible et utilisation de cette machine. Download PDF

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Description

La présente invention a pour objet une machine aérohydraulique réversible, susceptible de fonctionner en turbopompe ou en motocompresseur.
Les installations de récupération de chaleur actuellement utilisées se classent en deux grandes familles.
La première famille vise à récupérer, sous forme d'énergie mécanique ou électrique et/ou calorifique directement utilisable, de l'énergie calorifique non directement utilisable ou même parasite, dégagée, d'une façon générale, lors de la production d'énergie électrique ou mécanique à partir d'un combustible, ou constituant les pertes dont s'accompagne toujours la production d'énergie calorifique lors de l'utilisation.
L'énergie calorifique non utilisable ou parasite constitue une source chaude, d'où est tirée la chaleur reçue au bouilleur d'une machine à vapeur, en circuit fermé, par le fluide moteur ou primaire — pouvant être de l'eau — dont la vapeur entraîne une turbine, puis se condense dans un condenseur, refroidi par transfert de chaleur, par exemple, à une installation de chauffage. L'énergie mécanique disponible sur l'arbre de la turbine peut être utilisée pour entraîner un alternateur, une pompe, voire un compresseur, par exemple d'une pompe à chaleur, l'énergie électrique ou mécanique récupérée pouvant ainsi venir diminuer la consommation des producteurs de l'énergie calorifique parasite, ou non utilisable, constituant la source chaude. Dans les installations classées dans cette première famille, un élément essentiel est constitué par l'ensemble turboalternateur, turbopompe ou turbocompresseur.
La seconde famille vise à transférer des quantités de chaleur d'une source froide, qui sera davantage refroidie, à une source chaude, qui sera davantage réchauffée, ce qui est obtenu au moyen de pompes à chaleur dont l'évaporateur reçoit de la chaleur provenant de la source froide, et dont le condenseur transfère de la chaleur à la source chaude, le fluide frigorigène de la pompe à chaleur étant comprimé, entre évaporateur et condenseur, par un compresseur entraîné par un moteur consommant de l'énergie. Dans les installations classées dans cette seconde famille, un élément essentiel est constitué par l'ensemble motocompresseur.
Cependant, les ensembles turboalternateurs, turbopompes, turbocompresseurs ou motocompresseurs connus présentent l'inconvénient d'être constitués de deux éléments distincts reliés par un arbre de transmission. Il se pose donc des problèmes de fuites de l'intérieur de chacun de ces deux éléments vers l'extérieur, à la sortie de l'arbre, ce qui nécessite de recourir à des dispositifs d'étanchéité (joints et/ou chicanes), lesquels occasionnent une déperdition mécanique, notamment par frottement.
De plus, ces ensembles à deux éléments distincts sont encombrants et présentent, de ce fait, une faible puissance massique.
Enfin, le fluide moteur de l'ensemble pouvant être de la vapeur d'eau, et l'un des éléments fonctionnant selon un cycle de Carnot, l'obtention d'un rendement acceptable suppose l'utilisation de vapeur présentant de grands écarts de température entre bouilleur et condenseur. Cette vapeur à haute température étant corrosive et circulant à haute pression dans les conduites, on est alors amené à utiliser des métaux nobles, donc chers, pour réaliser au moins l'un des éléments de l'ensemble.
Le but que l'on se propose d'atteindre par la présente invention est de concevoir un ensemble appelé machine aérohydraulique réversible, susceptible de fonctionner en turbopompe ou en motocompresseur, et particulièrement destiné à la récupération de chaleur, industrielle ou domestique, avantageusement tirée du changement d'état d'un fluide moteur pouvant être de l'eau ou, de préférence, un fluide frigorigène à bas point d'ébullition, cette machine ne présentant pas les inconvénients énumérês ci-dessus.
La machine selon l'invention est appelée machine aérohydraulique car elle est constituée de deux éléments dont l'un, une pompe hydraulique susceptible de fonctionner en moteur hydraulique, est traversé par un écoulement hydraulique, et dont l'autre, une turbine axiale susceptible de fonctionner en compresseur axial, est traversé par un écoulement aérolique. Elle est caractérisée en ce qu'une pompe hydraulique volumétrique, susceptible de fonctionner en moteur hydraulique volumétrique, et une turbine axiale, susceptible de fonctionner en compresseur axial, sont accolées dans le prolonge2
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ment l'une de l'autre et accouplées par leurs arbres respectifs afin de s'entraîner directement à l'intérieur d'un unique manchon susceptible d'être directement intercalé, au moyen de brides d'extrémité, sur une conduite d'un fluide primaire, à l'état gazeux ou en phase vapeur, le manchon étant traversé, en direction sensiblement radiale, par une conduite d'entrée et une conduite de sortie d'un fluide secondaire, en phase liquide ou vapeur, alimentant la pompe.
De plus, la turbine peut comprendre au moins une paire de roues à aubage, dont une roue, ou stator, disposée du côté de la pompe est solidarisée par sa périphérie au manchon, et porte un roulement étanche constituant un palier pour l'arbre de la turbine, et dont l'autre roue, ou rotor, est solidaire de l'arbre, les aubages des rotor et stator présentant un profil identique mais un calage inversé.
Sans nécessiter d'autres garnitures ou joints d'étanchéité, la machine selon l'invention ne permet aucune fuite vers l'extérieur, du fait du manchon unique dans lequel sont logées pompe et turbine. De plus, du fait du roulement étanche pouvant être porté par le stator disposé le plus près de la pompe, il ne se produit aucune fuite hydraulique notable de la pompe vers la turbine.
La structure particulière de la turbine et l'accouplement de celle-ci à la pompe à l'intérieur d'un unique manchon confèrent à l'ensemble ainsi réalisé une excellente compacité, le générateur aérohydraulique ayant, en conséquence, une bonne puissance massique. De plus, les aubages présentant un profil identique, la production des rotor et stator sera simplifiée, ce qui diminuera le coût du générateur.
Dans son application particulièrement avantageuse à la récupération de chaleur, tirée du changement d'état d'un fluide frigorigène à bas point d'ébullition, la machine aérohydraulique permet, par une combinaison adaptée du nombre d'étapes de la turbine, de la hauteur des aubages et de leur profil, de récupérer de la chaleur, tirée d'une vapeur à basse température, présentant un faible écart de température entre l'entrée et la sortie de la turbine, ce qui, en plus de l'avantage intrinsèque que cela constitue du point de vue des utilisations, permet de réaliser la machine à partir de matériaux tels qu'alliages et aciers ordinaires.
L'invention a également pour objet une utilisation d'au moins une machine aérohydraulique dans une installation de récupération de l'énergie calorifique dissipée par une source chaude et recueillie dans un bouilleur ou évaporateur grâce à un fluide moteur, caractérisée en ce que ledit fluide moteur constitue le fluide primaire qui traverse axialement le manchon de façon à entraîner la turbine qui, elle-même, entraîne la pompe hydraulique, le fluide secondaire étant refoulé sous pression par la pompe et alimentant un moteur hydraulique sur l'arbre duquel l'énergie récupérée sera disponible sous forme mécanique.
Dans le cas d'une source chaude à basse température, le fluide primaire de l'installation sera, avantageusement, un fluide frigorigène à bas point d'ébullition.
Une installation particulièrement intéressante comprendra au moins une pompe à chaleur, la ou les machines aérohydrauliques fonctionnant en groupe motocompresseur dans la pompe à chaleur, la pompe hydraulique fonctionnant en moteur hydraulique, le fluide secondaire étant fourni sous pression à partir d'une pompe externe au générateur, et la turbine fonctionnant en compresseur sur le fluide primaire qui constitue le fluide caloporteur de la pompe à chaleur.
La présente invention sera mieux comprise à l'aide des exemples de réalisation décrits ci-après, à titre non limitatif, en référence aux figures annexées dans lesquelles:
la fig. 1 est une vue essentiellement en coupe axiale d'une machine aérohydraulique selon l'invention, et la fig. 2 est un schéma d'une installation de récupération de chaleur dans laquelle une machine aérohydraulique selon la fig. 1 fonctionne en turbopompe.
En référence à la fig. 1, la machine aérohydraulique selon l'invention est constituée d'un manchon 1 directement intercalé dans une conduite 2 de fluide moteur au moyen de brides d'extrémité 3 et 4, lesquelles peuvent être rattachées au manchon 1 par des éléments convergents ou divergents si la conduite 2 est d'un diamètre différent de celui du manchon 1. A l'intérieur de ce manchon 1 sont disposées, d'une part, une pompe hydraulique volumétrique 5, susceptible de fonctionner en moteur, et, d'autre part, une turbine axiale 6, susceptible de fonctionner en compresseur axial.
Dans le cas représenté, la turbine 6 est à deux étages, chaque étage étant constitué de deux roues à aubage, dont l'une, le stator, est fixe par rapport au manchon 1, et dont l'autre, le rotor, est entraînée en rotation à l'intérieur du manchon 1, les stators étant disposés sur le côté de la pompe 5. Chacun des stators 7 et 8, appartenant respectivement au premier et au second étage, est solidaire par sa périphérie du manchon 1 et porte un roulement 9, respectivement 10, constituant un palier pour l'arbre 11 de la turbine 6, sur lequel sont clavetés les rotors 12 et 13 intercalés avec les stators 7 et 8 et positionnés axialement sur cet arbre 11 au moyen de l'épaulement 14 de l'arbre 11, de l'entretoise 15, des roulements 9 et 10 ainsi que des éléments 16 et 17 vissés sur les extrémités de l'arbre 11, avec interposition d'une cale 18.
Le roulement 9, également retenu par une entretoise 19 solidaire du stator 7 et sur laquelle est fixé le corps de la pompe 5, est un roulement étanche limitant les fuites susceptibles de se produire de la pompe 5 vers la turbine 6. Le profil interne du manchon 1 en vis-à-vis des étages de la turbine est celui d'un divergent, les roues à aubage 7, 12, 8 et 13 ayant un diamètre croissant de façon correspondante. Comme cela apparaît sur la partie non coupée de la fig. 1, les stators 7 et 8 et les rotors 12 et 13 sont respectivement munis d'aubages 20 et 21 présentant un profil identique mais un calage inversé. A l'arrière de la turbine 6, il est également prévu un capot 22 porté par des ailettes-supports 34 fixées au manchon 1.
L'arbre 11 de la turbine 6 est directement accouplé à l'arbre 23, porté par les roulements 24 et 25, de la pompe hydraulique 5 qui est accolée à l'avant et dans le prolongement de la turbine 6.
Cette pompe 5 peut être une pompe à engrenage, mais, afin d'obtenir une machine aérohydraulique susceptible de s'adapter à des fluides moteurs présentant des vapeurs de caractéristiques différentes, la pompe 5 est avantageusement une pompe à débit variable telle qu'une pompe à barillet, à pistons axiaux 26 et à plateau 27 inclinable, dont l'inclinaison peut être commandée, ce type de pompe étant bien connu et n'étant pas à nouveau décrit en détail. Un obturateur 28, retenu par des traverses 29 susceptibles d'être fixées au manchon 1 au niveau de la bride d'extrémité antérieure 3, est vissé sur la face antérieure de la pompe 5 dont le corps est entouré d'un capot avant 30 de forme générale tronconique, définissant, avec le profil convergent présenté en vis-à-vis par le manchon 1, un convergent d'entrée dans la turbine 6. La pompe 5 est alimentée par une conduite d'entrée 31 et refoule un fluide hydraulique sous pression par la conduite de sortie 32, les conduites 31 et 32 traversant le manchon 1 en direction sensiblement radiale. Enfin, le corps ou carter de la pompe 5 est percé, à sa partie inférieure, d'un orifice en communication avec l'extérieur de la machine par un drain 33 d'évacuation du fluide hydraulique provenant des fuites internes de la pompe 5.
La machine dont la structure vient d'être décrite fonctionne de la façon suivante: un fluide moteur, constitué par une vapeur d'eau ou de fluide frigorigène, éventuellement à bas point d'ébullition, s'écou-lant dans la conduite 2 (de la gauche vers la droite sur la fig. 1), traversera axialement la machine en entraînant en rotation les rotors 12 et 13 de la turbine 6. Cette rotation sera transmise par l'arbre 11 à l'arbre 23 de la pompe 5 qui refoulera sous pression par la conduite 32 un fluide secondaire, à l'état liquide ou de vapeur, amené par la conduite 31.
Si l'on inverse le cycle, la machine peut fonctionner en groupe motocompresseur: le fluide moteur est introduit sous pression par la conduite 32 pour faire tourner le moteur hydraulique 5 dont l'arbre 23 entraînera l'arbre 11 du compresseur 6 d'un fluide traversant le générateur.
En référence à la fig. 2, on décrira à présent une installation, déjà considérée dans la demande de brevet français N° 77/25293, dans
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laquelle on a avantageusement substitué une machine aérohydraulique selon l'invention à une turbine à vapeur associée à un alternateur. Sur la fig. 2, on a représenté en 40 l'ensemble des rotatives de l'imprimerie, entraîné par un moteur électrique 41. Le papier fraîchement encré 42 est reçu dans un four de séchage 43 au travers duquel le papier est convoyé par des rouleaux 44 entraînés par un moteur électrique 45. Dans le four de séchage 43, de l'air est chauffé par des résistances électriques 46 et balaie le papier encré. Les fumées et gaz chauds, sales et pollués, qui résultent du séchage du papier encré, sont récupérés par la veine d'évacuation 47 dans laquelle sont disposés un four d'épuration 48, du type four à catalyse ou four à pyrolyse, ainsi qu'un échangeur 49, balayé par les fumées et gaz chauds et propres sortant du four d'épuration 48. L'échangeur 49 constitue le bouilleur et l'évaporateur d'un fluide moteur, dont la vapeur constitue le fluide primaire traversant une machine aérohydraulique 50 selon l'invention, dont il entraîne la turbine, avant de se condenser dans un condenseur 51, par exemple du type aérien, d'où le fluide moteur est à nouveau conduit au bouilleur ou évaporateur 49. La pompe de la machine 50, aspirant un fluide hydraulique provenant d'un réservoir 59, alimente en fluide hydraulique sous pression les moteurs hydrauliques 52 et 53 dont les arbres sont susceptibles d'être accouplés aux arbres des moteurs électriques 41 et 45 au moyen des embrayages 54 et 55, respectivement commandés par les blocs de régulation et de commande 56 et 57, assurant l'alimentation électrique des moteurs 41 et 45 par la ligne 58, et commandant les embrayages 54 et 55 en fonction de la pression hydraulique détectée à l'entrée des moteurs hydrauliques 52 et 53.
L'énergie mécanique, disponible sur les arbres des moteurs hydrauliques 52 et 53 et provenant de la récupération d'énergie 5 calorifique au niveau de l'échangeur 49, est utilisable pour assurer, au moins partiellement, l'entraînement des rotatives 40 et des rouleaux 44, ce qui permet d'économiser d'autant la consommation d'énergie électrique des moteurs 41 et 45. Simultanément, on diminue très sensiblement la pollution thermique puisque les fumées ou gaz 10 rejetés sont propres et notablement refroidis.
Les applications de la machine aérohydraulique ne sont pas limitées à l'installation précédemment décrite. On pourrait tout aussi bien la substituer aux moteurs ou turbines, pompes et alternateur prévus dans les demandes de brevet français Nos 77/12146,77/25294 et 77/32732, l'utilisation de la machine selon la présente invention en groupe turbopompe ou en groupe motocompresseur étant d'ailleurs possible dans les installations décrites dans plusieurs de ces demandes.
20 D'une manière très générale, la machine aérohydraulique apportera ses avantages, qui sont une grande compacité, d'où une bonne puissance massique, une grande simplicité, d'où un faible coût de réalisation, ainsi que l'aptitude à recevoir des vapeurs à basses températures, au sein de la plupart des installations de récupération 25 d'énergie calorifique actuellement connues.
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Claims (9)

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1. Machine aérohydraulique réversible, susceptible de fonctionner en turbopompe ou en motocompresseur, caractérisée en ce qu'une pompe hydraulique volumétrique, susceptible de fonctionner en moteur hydraulique volumétrique, et une turbine axiale, susceptible de fonctionner en compresseur axial, sont accolées dans le prolongement l'une de l'autre, et accouplées par leurs arbres respectifs afin de s'entraîner directement à l'intérieur d'un unique manchon susceptible d'être directement intercalé, au moyen de brides d'extrémité, sur une conduite d'un fluide primaire, à l'état gazeux ou en phase vapeur, le manchon étant traversé, en direction sensiblement radiale, par une conduite d'entrée et une conduite de sortie d'un fluide secondaire, en phase liquide ou vapeur, alimentant la pompe.
2. Machine aérohydraulique selon la revendication 1, caractérisée en ce que la turbine comprend au moins un stator à aubage disposé du côté de la pompe, solidarisé par sa périphérie au manchon et portant un roulement étanche constituant un palier pour l'arbre de la turbine, et un rotor à aubage solidaire de l'arbre, les aubages des rotor et stator présentant un profil identique, mais un calage inversé.
3. Machine aérohydraulique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la pompe est du type à débit variable comprenant des pistons axiaux et un plateau à inclinaison variable, de sorte que la machine puisse s'adapter à des fluides primaires ayant des caractéristiques de vapeur différentes.
4. Machine aérohydraulique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que la pompe est munie d'un carter percé, à sa partie inférieure, d'un orifice en communication avec l'extérieur de la machine par un drain d'évacuation du fluide hydraulique provenant des fuites internes de la pompe.
5. Utilisation d'au moins une machine aérohydraulique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans une installation de récupération de l'énergie calorifique dissipée par une source chaude et recueillie dans un évaporateur grâce à un fluide moteur, caractérisée en ce que le fluide moteur constitue le fluide primaire qui traverse axialement le manchon de façon à entraîner la turbine qui, elle-même, entraîne la pompe hydraulique, le fluide secondaire étant refoulé sous pression par la pompe et alimentant un moteur hydraulique sur l'arbre duquel l'énergie récupérée sera disponible sous forme mécanique.
6. Utilisation selon la revendication 5, dans laquelle la source chaude est à basse température et le fluide primaire est un fluide frigorigène à bas point d'ébullition.
7. Utilisation selon l'une des revendications 5 ou 6, dans laquelle la source chaude est constituée par les fumées et gaz propres sortant d'un four d'épuration des fumées et des gaz de séchage d'un papier fraîchement encré provenant des rotatives d'une imprimerie.
8. Utilisation selon la revendication 7, dans laquelle le fluide primaire est recueilli dans un évaporateur disposé dans une veine d'évacuation des fumées et gaz propres, la pompe de la machine aérohydraulique étant connectée à des moteurs hydrauliques participant à l'entraînement des rotatives.
9. Utilisation selon la revendication 5, dans laquelle l'installation de récupération d'énergie comprend au moins une pompe à chaleur, la machine aérohydraulique fonctionnant en groupe motocompresseur dans la pompe à chaleur, la pompe hydraulique fonctionnant en moteur hydraulique, le fluide secondaire étant fourni sous pression à partir d'une pompe externe à la machine et la turbine fonctionnant en compresseur sur le fluide primaire qui constitue le fluide calopor-teur de la pompe à chaleur.
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