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Procédé de compression directe d'agents en forme de gaz ou de vapeur, au moyen d'un agent en forme de gaz ou de vapeur déjà sous pression.
On a déjà fait connaitre des procédés de compres- sion indirecte d'agents en forme de gaz ou de vapeur, au moyen d'agents en forme de gaz ou de vapeur déjà sous pression. On introduisait l'agent en forme de gaz ou de vapeur sous pression, sous forme d'air comprimé, de vapeur ou de gaz sous pression, dans des moteurs, tels que des machines à vapeur à piston, des turbines à vapeur, des moteurs à air comprimé, etc.., et avec ces moteurs on accouplait des machines pour la compression d'un agent en forme de gaz ou de vapeur, tel que l'air, l'azote, etc..; avec des moteurs à combustion, le gaz ou l'agent en for- me de vapeur sous pression furent produits dans une chambre de combustion, et l'énergie de l'agent sous pression était trans- mise au compresseur par une transmission.
Avec tous ces procé- dés il se présente..l'inconvénient .de. perdes doubles, mécaniques
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et pneumatiques, dans le moteur et dans la machine opéra trice.
Ces pertes sont particulièrement élevées lorsqu'il s'agit de volumes relativement faibles à comprimer, et de hautes pressions auxquelles la compression doit s'opérer. Dans ces conditions, les compresseurs centrifuges par exemple deviennent fréquemment peu économiques. D'un autre côté, les compresseurs à piston demandent des moteurs à des nombres de tours relativement fai- bles, ou bien il sera nécessaire d'intercaler des mécanismes de transmission entre le moteur qui tourne toujours à un grand nombre de tours, et le compresseur à piston qui marche lente- ment; de cette façon on n'obtient pas non plus une solution du problème de la compression économique de faibles volumes à haute pression. De plus, les frais de construction des systèmes connus sont considérables.
Il parait tout naturel d'éviter ces difficultés en procédant à la compression directe d'agents en forme de gaz ou de vapeur, à l'aide d'un agent en forme de gaz ou de vapeur déjà sous pression. On connait ainsi par exemple la pompe Humphrey dans laquelle l'explosion d'un mélange inflammable se produisant directement au-dessus d'un volume d'eau emprisonné est utilisée comme force motrice. Avec ce procédé, il se pré- sente pourtant en face du problème posé à l'invention dont il s'agit ici, la différence fondamentale que la colonne d'eau, qui est à considérer comme constituant un piston mobile, ne se mélange pas avec l'agent de pression, savoir les gaz de combus- tion sous pression.
Un tel mélange est pourtant à craindre im- médiatement lorsqu'il s'agit de la compression d'un agent en forme de gaz ou de vapeur par un second agent en forme de gaz ou de vapeur déjà sous pression.
Cette crainte est pourtant immotivée. La présente invention met à ce sujet à profit une notion acquise dans le domaine des turbines à combustion par explosion, d'après laquel-
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le il est possible de chasser d'un récipient, un agent en forme de gaz ou de vapeur par un agent en forme de gaz ou de vapeur qui est sous pression plus forte et qui se dilate, sans que le mélange des deux agents l'un avec l'autre prenne des proportions inadmissibles. Comme un moyen pour déterminer cet effet, on a trouvé celui de donner certaines formes à la chambre et aux es- paces de raccordement entre le conduit d'amenée de l'agent sous pression et la chambre.
Ep exécutant ainsi par exemple la cham- bre sous forme de cylindre allongé, et en donnant une forme conique aux passages entre les parois allongées et les conduits d'amenée, on a réussi à obtenir une distribution uniforme de l'agent sous la pression la plus forte sur la section totale de la chambre, de sorte que l'agent sous pression avance à la façon d'un piston, et ne montre aucune tendance à se brouiller ou se mélanger avec l'agent qui doit être chassé.
Pour que le mouvement des soupapes nécessaires ne trouble pas le succès ainsi obtenu, on a établi le conduit entre ces soupapes et les passages coniques sous forme de diffuseur ou tube de Venturi, de sorte qu'il s'établit devant la chambre de soupape une sec- tion d'entrée qui est entourée de parois fixes, immobiles, et d'où commence un évasement constant du passage conique qui assu- re la distribution uniforme de l'agent sous pression la plus forte sur la section du récipient, et assure en même temps la formation d'une couche de séparation plane entre les deux agents, ainsi que l'avancement uniforme des agents contenus dans la récipient.
L'invention ne s'est pas arrêtée à cette notion de la première condition de solution du problème posé. Elle met à profit encore la notion qu'un procédé de compression ainsi établi en principe, n'est pourtant pas encore économique. Si l'on considère ce qui se passe dans la compression directe d'un agent en forme de gaz ou de vapeur par un agent sous plus fprte
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pression, on constate l'existence de deux sources de pertes qui décident de l'économie du procédé.
Lorsqu'un agent en forme de gaz ou de vapeur sous pression, entre dans une chambre fer- mée do tous côtés qui est déjà remplie d'un agent en forme de gaz ou de vapeur à comprimer, lorsque par suite de son entrée, il comprime de plus en plus l'agent en présence dans le réci- pient, et lorsqu'enfin la compression finale atteinte, il expul se l'agent comprimé, à travers un organe d'échappement ouvert, il est inévitable que lors de son entrée dans le récipient, l'agent sous haute pression se détende et passe d'une haute pression à une pression basse. Car sa pression à l'entrée doit dans tous les cas être supérieure à la pression de compression finale de l'agent à comprimer, tandis que celui-ci d'un autre côté, lors de l'entrée de l'agent sous pression dans la chambre de compression, possède encore la pression initiale.
Lors de l'entrée de l'agent sous pression dans la chambre de compres- sion, l'énergie qui réside dans cette différence de pression est donc transformée en grande vitesse. Mais ces vitesses ne pourront plus être retransformées en énergie de pression utili- sable, puisque la pression est donnée dans la chambre de com- pression.
Une seconde source de pertes se présente lorsqu'a- près la fin de la compression et l'expulsion de l'agent compri- mé étant terminée, il s'agira de purger la chambre de compres- sion du premier agent qui y est resté. Le reste de l'agent sous pression en présence dans la chambre de compression s'y trouve en effet sous une pression au moins égale à la pression de com- pression finale de l'agent comprimé. Ce reste contient donc encore une énergie considérable. Cette énergie devient libre lorsque le reste de l'agent sous pression est détendu à la pression sous laquelle il est chassé par l'agent à comprimer entrant à nouveau.
Puisque cette pression est supérieure.à la
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pression atmosphérique, il si produira une nouvelle perte lors- que l'agent sous pression, après avoir opéré la compression, sous la pression de chasse est détendu à la pression de l'at- mosphère.
Conformément à ces notions, le procédé qui fait l'objet de la présente invention et dont le but est de compri- mer directement des agents en forme de gaz ou de vapeur, au moyen d'un agent en forme de gaz ou de vapeur déjà sous pres- sion, est caractérisé en ce que l'un des agents est comprimé directement par détente de l'autre agent, avec formation et conservation d'une couche de séparation plane entre les deux agents.
Dans la suite de la réalisation de l'idée qui est à la base de l'invention, l'énergie qui devient libre dans des espaces à l'extérieur de la chambre de compression, lors de compression directe de l'un des agents par la détente de l'au- tre agent à la pression de compression, est utilisée avant l'en trée de l'agent détendu dans la chambre de compression; de plus on utilise avantageusement l'énergie qui devient libre pendant la libération et éventuellement pendant le délogement de l'agent sous pression de la chambre de compression. L'énergie libérée est convenablement transformée en travail mécanique, préféra- blement dans des turbines.
Notamment des étages de turbines établis comme étages à action permettent, comme on le sait, l'utilisation économique d'énergie d'écoulement où flux, cela encore dans des conditions de pression fort inconstantes.
D'après l'invention, la quantité d'énergie dépassant la mesure nécessaire pour produire une vitesse d'admission déterminée à la chambre de compression est transformée en énergie mécanique, tout au moins dans un étage de turbine auxiliaire. Il en est de même avec l'énergie que possède le reste de l'agent sous
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étant terminée. Cette énergie' également est utilisée dans au moins un étage de turbine.
Naturellement il entre dans le prin- cipe de l'invention que l'on peut aussi utiliser le même étage de turbine pour tirer profit de l'énergie, cela en l'interca- lant à l'aide d'organes de changement appropriés, une fois dans le chemin de l'agent sous pression qui entre, lors de la com- pression, et une autre fois dans le chemin de l'agent sous pression qui sort, après la compression. Une partie de l'éner- gie mécanique produite pourra alors par exemple servir pour la commande du compresseur centrifuge, lequel donne à l'agent à comprimer une pression initiale qui suffit pour chasser le res- tant d'agent sous pression hors de la chambre de compression.
L'invention n'est pourtant nullement limité non plus à cette utilisation de l'énergie gagnée.
Avec le nouveau procédé, la compression s'opère donc sans perte mécanique; il ne se présente plus que des per- tes d'écoulement et d'échange de chaleur, cela dans une mesure où toute influence sur l'économie du procédé de compression est absente. Le procédé présente une importance particulière lors- qu'il s'agit de la compression de volumes relativement faibles à de hautes pressions, puisque dans ces cas les pertes dans des compresseurs actionnés par des moteurs sont excessivement éle- vées. Le nouveau procédé donne en outre la possibilité d'une construction très légère des appareils pour opérer la compres- sion, cela particulièrement en combinaison avec des étages de turbines déjà présentes, puisque des récipients de volume cons- tant et de forme cylindrique, renfermant la chambre de compres- sion, peuvent être très légers;
il y a à prendre en considéra- tion encore que tout mécanisme de transmission de mouvement est supprimé.
Un champ d'application particulièrement avantageux pour, le nouveau procédé de compression s'ouvre dans les instal-
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lations da turbines à combustion par explosion, puisque dans ces installations, des agents sous pression sont produits par des détonations rythmiques d'un mélange inflammable, et se trouvent ainsi à disposition pour la compression d'un autre agent en for- me de gaz ou de vapeur. Selon la présente invention, il est donc proposé de produire l'agent sous pression servant à la compres- sion, par le moyen d'explosions rythmiques d'un mélange inflam- mable.
Une forme d'exécution particulièrement avantageuse du procédé est celle où les gaz de combustion, produits par déto- nation d'un mélange inflammable, compriment l'agent à comprimer, de préférence de l'air introduit dans une chambre de compres- sion, en remplissant cette chambre, et le poussent ensuite de- hors ; l'énergie des gaz de combustion libérée, correspondant à la chute de pression à employer, est transformée en travail mécanique dans des étages de turbine disposés entre la chambre d'explosion et la chambre de compression;
puis les gaz de com- bustion sont libérés de la chambre de compression ou éventuel- lement chassés de cette chambre par l'agent à comprimer à nou- veau qui vient la remplir, l'énergie contenue dans les gaz étant de nouveau transformée en travail mécanique dans des étages de turbine intercalés dans le trajet des gaz après la chambre de compression. La chambre d'explosion reste convenablement fermée du côté de la chambre de compression pendant l'expulsion des gaz de combustion de cette dernière chambre par l'agent à com- primer, et il y a ainsi une possibilité d'expulser simultané- ment le restant de gaz de combustion da la chambre d'explosion, convenablement encore par un étage de turbine.
Si l'agent à com- primer est amené à la chambre de compression après avoir déjà subi une compression préalable, il y a une possibilité de prati- quer cette compression préalable dans des compresseurs centrifu- ges travaillant économiquement par suite de l'élévation de pres-
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des grandes masses à comprimer. Puisque l'agent à comprimer se composera préférablement d'air, il y a la possibilité de con- duire l'air préalablement comprimé à la chambre d'explosion pour servir en même temps d'air de balayage. Au contraire, l'air porté à haute pression par les gaz de combustion dans la chambre de compression est convenablement amené à la chambre d'explosion comme air de remplissage ou de charge.
Le procédé trouve un emploi particulièrement avanta geux dans les turbines à combustion par explosion à plusieurs étages, où l'on a disposé des égalisateurs de pression pour égaliser la pression des gaz de combustion entre les différents étages de turbine. Ces égalisateurs ou compensateurs de pres- sion en soi nécessaires peuvent être établis sous forme de chambres de compression, de sorte que toujours dans la réalisa- tion de l'idée qui est à la base de l'invention, on est encore conduit à proposer la compression d'un agent en forme de gaz ou de vapeur dans des espaces de compensation de pression en soi connus, disposés entre les étages de turbine, au moyen des gaz de combustion dont il s'agit d'égaliser la pression.
Il entre pourtant aussi dans le principe de l'inven- tion d'utiliser l'énergie de l'agent sous pression qui devient libre pendant la compression de l'agent à comprimer, autrement qu'à la production d'énergie mécanique. Il y a par exemple des cas où l'agent à comprimer doit trouver emploi à haute tempéra- ture. Dans ces cas, la quantité d'énergie dépassant la mesure nécessaire pour produire une vitesse d'admission déterminée à la chambre de compression est transformée en chaleur sensible par tourbillonnement, et elle est en grande partie transportée à l'agent à comprimer par rayonnement et contact.
Pour la com- préhension de ce processus, il est nécessaire d'examiner un peu plus près ce qui se passe à la vidange d'une chambre d'explo- sion. Lorsqu,',On fait entrer les gaz de combustion sous pression
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venant de la chambre d'explosion dans un second espace à pres- sion plus faible, les gaz qui restent dans la chambre d'explo- sion se détendent adiabatiquement, abstraction faite de la cha- leur cédée aux parois. La température des gaz restant dans la chambre d'explosion baisse donc au cours de la vidange. L'éner- gie correspondant à cet abaissement de température est commu- niquée sous forme d'énergie cinétique aux gaz qui sortent, en s'ajoutant à l'ér.ergie de pression qui réside dans ces gaz eux-mêmes.
Lorsque maintenant l'énergie cinétique totale des gaz sortis de la chambre d'explosion est retransformée en cha- leur sensible par tourbillonnement, la température des gaz sor- tis doit naturellement être plus élevée que leur température primitive avec la chambre d'explosion entièrement pleine, et cela dans la mesure d'énergie thermique soustraite aux gaz restant dans la chambre d'explosion par rapport à l'état avec la chambre d'explosion entièrement pleine.
Le processus de vi- dange ou de décharge d'une chambre d'explosion dans une chambre à pression pus basse qui vient d'être décrit représente donc pour ainsi dire une pompe à chaleur, dans laquelle une partie de la chaleur qui avec la chambre d'explosion entièrement pleine résidait dans les gaz restant dans la chambre, est transportée à l'espace à pression plus basse dans lequel une partie des gaz a été vidée. Il s'établit donc dans l'espace dans lequel les gaz de combustion ont été vidés, une température relativement élevée, lors même que l'on tient compte de la cession de cha- leur à la paroi. Cette haute température est très propre à réa- liser une transmission de chaleur accrue par contact et rayonne- ment sur la plus petite surface de transmission thermique.
D'après l'invention, l'énergie libérée est donc transformée en chaleur sensible et transmise en grande partie à l'agent à com- primer. Cette transmission se fait convenablement par rayonne- ment et contact, avec balayage alternatifdes surfaces d'échange
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de chaleur, fournies par exemple par les parois du récipient de compression lui-même. Il est particulièrement avantageux de réchauffer l'agent à comprimer, déjà avant la compression, par l'agent détendu pendant la compression.
Mais on pourra aussi utiliser pour augmentation de la transmission de chaleur, l'é- nergie que possède le restant d'agent sous pression sortant de la chambre de compression après la fin da la compression; on établit ainsi par exemple à l'aide de grandes vitesses d'écou- lement, des tourbillons de courant qui augmentent très fort la transmission de chaleur.
Dans le cas en présence, il est aussi pratique de produire l'agent sous pression servant à la compression, par le moyen d'explosions rythmiques d'un mélange inflammable. Un pro- cédé particulièrement avantageux se passe de la façon suïvante les gaz de combustion produits par détonation d'un mélange in- flammable, compriment l'agent à comprimer, de préférence de l'air, introduit dans une chambre de compression, en remplis- sant cette chambre, et le poussent ensuite dehors ; l'énergie des gaz de combustion libérée, correspondant à la chute de pression à employer, est transformée en chaleur sensible dans un espace de tourbillonnement disposé entre la chambre d'explo- sion et la chambre de compression;
puis les gaz de combustion sont libérés de la chambre de compression ou éventuellement chassés de cette chambre par l'agent à comprimer à nouveau qui vient la remplir; l'énergie des gaz de combustion est utilisée pour l'augmentation de la transmission de chaleur dans des échangeurs de chaleur intercalés dans le trajet des gaz après la chambre de compression.
La chambre d'explosion reste convena blement fermée du côté de la chambre de compression pendant l'expulsion des gaz de combustion de cette dernière chambre par l'agent à comprimer, et pendant que s'opère cette expulsion, le restant de gaz de combustion est,expulsé de la chambre- d'ex-
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plosion, convenablement en passant par un étage de turbine ou par un échangeur de chaleur; l'agent à comprimer aussi bienque l'agent de balayage sont conduits à la chambre de compression préalablement comprimés.
Avec un tel procédé, on pourra par exemple recueillir la chaleur des parois d'espaces qui se vi- dent de l'agent sous pression ou la chaleur des parois de cham- bres de compression, et utiliser cette chaleur à la commande du compresseur centrifuge qui communique à l'agent à comprimer une pression initiale qui suffira pour l'expulsion du reste de l'agent sous pression de la chambre de compression. L'invention n'est pourtant nullement limitée à une telle utilisation de la chaleur des parois.
Un domaine d'application particulièrement approprié du procédé de compression décrit en dernier lieu s'ouvre dans des procédés chimiques, par exemple dans la production du vent pour les hauts fourneaux et pour des convertisseurs Bessemer ou Thomas. Pour la production du vent à l'usage des hauts four- neaux, on s'est jusqu'ici servi d'un procédé très compliqué, exigeant un ensemble d'appareils excessivement volumineux. Avec le gaz que donne le haut fourneau en marche, on actionne un mo- teur qui, à son tour, commande un compresseur. L'air ainsi com- primé est dans un procédé intermittent chauffé dans des appa- reils de Cowper dans lesquels on brûle de temps en temps du gaz de haut fourneau, pour souffler ultérieurement pendant un certain temps à travers ces appareils, le vent produit dans le compresseur, en vue d'absorption de chaleur.
L'ensemble des appareils est excessivement volumineux et coûteux.
En ce qui concerne le service des chambres d'explo- sion, les développements ci-dessus relatifs à l'utilisation de l'excédent d'énergie à la création d'énergie mécanique s'appli- quent d'une manière appropriée.
Les appareils pour la mise en pratique du procédé
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de l'invention peuvent être établis de nombreuses façons. Ils sont caractérisés notamment en ce que l'on a joint à des cham- bres d'explosion, des chambres de compression allongées, pour- vues d'extrémités qui diminuent en forme de cône, en vue de maintien d'une couche de séparation en forme de piston entre l'agent sous pression et l'agent à comprimer. Les extrémités des parties coniques des chambres de compression constituent avantageusement des diffuseurs de tubes de Venturi, et ces chambres sont pourvues de dispositifs pour les charger d'un agent à comprimer, convenablement comprimé au préalable, pour introduire et accumuler des gaz de combustion sous pression, et pour évacuer l'agent comprimé et les gaz de combustion.
Ces dispositifs pourront particulièrement trouver emploi dans des installations de turbines à combustion à plusieurs étages, entre les étages. Dans ce cas, la chambre de compression est en communication avec une chambre d'explosion qui la précède, con- venablement par l'intermédiaire d'un étage de turbine, avec un étage de turbine additionnel, avec un compresseur pour la four- niture de l'agent préalablement comprimé, et convenablement avec un réservoir pour l'agent comprimé, par l'intermédiaire d'organes d'entrée et de sortie contrôlés de préférence par de l'huile. Dans les turbines à combustion à plusieurs étages, le réservoir de compensation de pression prévu entre les étages de turbine serait à établir de façon correspondante.
Si le système doit être établi de façon que l'éner- gie d'écoulement de l'agent sous pression doit être utilisée pour transmission de chaleur à l'agent à comprimer, on dispose selon l'invention, entre les chambres d'explosion et de com- pression, des espaces de tourbillonnement dans lesquels l'éner- gie d'écoulement de l'agent sous pression est transformée en chaleur sensible avant l'entrée dans les chambres de compres- sion. Sortante de ;
la chambre de tourbillonnement, l'agent sous'
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pression, coulant à courant de/nouveau calmé autant que possi- ble, entre par la section la plus étroite dans la chambre de compression établie en forme de diffuseur ou tube de Venturi, de sorte que la couche de séparation en forme de piston reste maintenue dans ladite chambre. Pour que l'échange de chaleur entre l'agent sous pression et l'agent à comprimer soit aussi abondant que possible, les parois de la chambre de compression qui, au cours du mouvement de va-et-vient rythmique de la cou- che de séparation, sont balayées alternativement par les deux agents, ne sont convenablement pas refroidies ou ne sont refroi- dies que très peu, et elles sont revêtues de matériaux réfrac- taires.
Ces parois s'échauffent donc à haute température moyen- ne et transmettent une forte quantité de chaleur à l'agent à comprimer. Cet échange de chaleur est avantageusement secondé par des échangeurs de chaleur dans lesquels l'agent compresseur et l'agent.à comprimer sont portés à échange de chaleur avant la compression de ce dernier agent.
Il entre dans le principe de l'invention que celle- ci n'est pas limitée à l'état de corps simple de l'agent sous pression et de l'agent à comprimer. Il est évident que des mé- langes de gaz, des mélanges de vapeur et des mélanges de gaz et de vapeur, peuvent être employés aussi bien comme agent sous pression que comme agent à comprimer.
Les dessins annexés montrent à titre d'exemple une forme d'exécution du système ou ensemble d'appareils pour la mise en pratique du procédé selon l'invention.
Fig.l est une représentation schématique de la dis- position d'ensemble d'une installation pour la mise en prati- que du procédé avec production d'énergie mécanique ; les chambres d'explosion et de compression ainsi que les étages de turbine sont figurés en coupe longitudinale verticale.
Fig.2 donne des diagrammes en fonction du temps des
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variations de pression dans les chambres d'explosion et de com- pression.
Fig.3 est une représentation schématique de la dis- position d'ensemble d'une installation pour la mise en pratique du procédé avec transmission de chaleur accrue ; chambres d'explosion et de compression ainsi que l'échangeur de chaleur spécial sont figurés en coupe longitudinale verticale.
Fig.4 est une représentation schématique d'une for- me d'exécution légèrement changée par rapport à celle que mon- tre la figure 3, en ce que l'échangeur de chaleur additionnel est disposé derrière la chambre de compression.
Fig.5 est une représentation schématique de la dis- position d'ensemble d'une forme d'exécution où l'on a disposé des appareils de Cowper pour le chauffage ultérieur de l'agent comprimé, tandis que l'agent compresseur qui quitte les cham- bres d'explosion et de compression cède le restant de sa capa- cité de travail dans une turbine à gaz.
Figs.6 et 7 représentent respectivement en coupe longitudinale verticale et en coupe transversale (menée suivant la ligne VII-VII de la figure 6), une forme d'exécution spécia- le de la chambre de compfession., servant à l'augmentation de la transmission de chaleur.
Dans la figure 1, 1 désigne l'enveloppe de la roue de turbine d'une installation de turbine à combustion par explo sion comprenant une chambre d'explosion 2 et les roues de tur- bine 13 et 18; 3 est la chambre de compression, 4 un réservoir pour l'air comprimé, 5 un compresseur d'air, 6 la turbine à vapeur servant à actionner le co mpresseur. Les deux roues de turbine 13 et 18 sont accouplées ensemble et accouplées encore avec une génératrice électrique 26 pour la réception du travail cédé. Voici le fonctionnement de cette installation :
La chambre d'explosion 2 est d'abord chargée d'air
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de remplissage pris dans le réservoir 4 et conduit à la chambre par le tuyau 27 et les soupapes d'admission 7, tandis que l'in- troduc tion de combustible se fait par les injecteurs 8.
Le rem- plissage terminé, la chambre d'explosion renferme donc un mé- lange inflammable dont l'allumage se fait par les bougies 9.
La détonation terminée, la soupape 10 de la chambre 2 s'ouvre et laisse les gaz de combustion sous haute pression et chauf- fés à haute température libres d'arriver à la tuyère 11; par cette tuyère, les aubes 12 du botor 13 du premier étage de tur- bine sont injectées.
Les gaz de combustion qui ne sont que par- tiellement détendus dans les aubes 12 du rotor, s'écoulent en- suite dans la chambre de compression 3 étendue en longueur, et par suite du raccordement conique avec les parois longitudina- les de cette chambre, lesdits gaz s'étendent continuellement sur la section totale de la chambre, de sorte que l'air qui se trouve dans la chambre et qui a déjà été comprimé un peu au préalable, arrive à être comprimé par eux comme si c'était par un piston. Au moment où cette compression complémentaire de l'air dans la chambre de compression 3 aura atteint une limite finale prescrite, la soupape 14 s'ouvre de façon que l'air comprimé est chassé par les gaz de combustion qui le poussent par derrière, et entre donc dans le réservoir 4. Pendant ce temps la soupape 15 a été tenue fermée.
Aussitôt que les gaz de la combustion auront chassé l'air de la chambre de combus- tion 3 et l'auront poussé entièrement dans le réservoir 4 à travers la soupape ouverte 14, cette soupape se fermera tandis que la soupape 15 s'ouvrira. Les gaz de combustion qui remplis- sent la chambre de compression et qui se trouvent sous une pres= sion au moins égale à la pression finale de compression de l'air dans le réservoir 4, coulent maintenant vers la tuyère 16 et injectent ensuite l'aubage 17 du rotor 18.
En même temps les gaz de combustion se détendent hors de la chambre d'explosion 2,
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par la soupape 10 encore ouverte, par la tuyère 11 et l'aubage 12; ils se mélangent alors avec les gaz de combustion qui se détendent dans la chambre de compression 3, et ensemble avec ces gaz, ils coulent par la tuyère 16 à l'aubage 17, pour quit- ter la turbine à combustion par le tuyau d'échappement 19. Aus- sitôt que la pression des gaz de combustion encore renfermés dans la chambre de compression 3 est descendue approximative- ment au niveau de la pression de l'air de balayage du compres- seur 5 dans le conduit 20, la soupape 10 de la chambre d'explo- sion 2 se ferme et la soupape 21 s'ouvre en même temps.
Les gaz de combustion venant de la chambre d'explosion coulent mainte- nant par le conduit de jonction 22 à la tuyère 23,,pour injec- ter également l'aubage 17 du rotor 18. Avec cela la pression des gaz de combustion dans la chambre d'explosion 2 descend également au niveau de la pression de l'air de balayage du compresseur centrifuge 5 dans le conduit 20. Maintenant les sou papes 24 et 25 s'ouvrent. L'air de balayage qui, sous la pres- sion qui règne dans le conduit 20, fait son entrée dans la chambre d'explosion 2 et dans la chambre de compression 3, chas se devant lui ce qui reste de gaz de combustion dans lesdites chambres, et pousse ces restes de gaz par les tuyères correspon dantes 23 et 16 à l'aubage 17 du rotor 18.
Le balayage terminé, c'est-à-dire après expulsion de tous les gaz de combustion des chambres, les soupapes 21 et 15 ainsi que les soupapes à air de balayage 24 et 25 se ferment, Aussi bien la chambre d'explo- sion 2 que la chambre de compression 3 se trouvent maintenant remplies d'air frais comprimé au préalable, de façon que par introduction de l'air de remplissage et du combustible dans la,chambre d'explosion 2, le mélange inflammable nécessaire pour la détonation suivante puisse s'y former. Le processus ci-dessus décrit se répète alors, et ainsi de suite.
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dont se produisent chronologiquement les variations de pression dans les chambres d'explosion et de compression. Les ordonnées des deux diagrammes représentent les pressions tandis que les abscisses, communes aux deux diagrammes, représentent les temps.
Au point I du diagramme supérieur, la détonation dans la cham- bre d'explosion 2 est terminée et la hauteur maximum de pres- sion est atteinte. A ce moment la soupape 10 s'ouvre. Il se produit d'abord une certaine chute de pression # p provoquée par le remplissage de l'espace entre la soupape 10 et la tuyère
11. Au point II commence l'entrée des gaz de combustion dans la chambre de compression 3, de sorte que la pression dans cette chambre monte à partir du point II' du diagramme inférieur, tandis qu'en même temps la pression dans la chambre d'explosion
2 descend selon le diagramme supérieur de la figure 2. Au point
III' du diagramme inférieur, la compression finale demandée est atteinte dans la chambre de compression, de sorte que la soupa- pe 14 s'ouvre pour laisser l'air comprimé s'écouler dans le réservoir 4.
La ligne III'-IV' du diagramme inférieur corres- pond au passage de l'air comprimé dans ledit réservoir 4. Dans le point IV', la soupape à air 14 se ferme et la soupape de tuyère 15 s'ouvre. Par suite de l'ouverture de cette soupape 15 il se produit d'abord une chute de pression brusque # p' du point IV' au point V', puisque l'espace entre la soupape 15 et la tuyère 16 doit être rempli. A partir du point V' commence la détente hors de la chambre de compression 3 qui, simultané- ment avec la détente progressive hors de la chambre d'explosion
2 selon le diagramme supérieur, a lieu à travers la tuyère 16.
Au moment VI' la pression dans la chambre de compression 3 sera descendue au niveau de la pression d'air de balayage du com- presseur centrifuge 5 dans le conduit.20. A ce moment la soupa- pe à air de balayage 25 et la soupape d'échappement 21 de la chambre d'explosion 2 s'ouvrent, tandis qu'en même temps la
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soupape de tuyère 10 de cette chambre se ferme. Par suite de l'ouverture de la soupape 21, il se produit de nouveau une chu- te de pression # p" dans la chambre d'explosion 2, parce que l'espace entre la soupape 21 et la tuyère 23 doit être rempli.
La chute de pression ayant pris fin, la soupape à air de bala- yage 24 s'ouvre au moment VII. Le balayage de la chambre de compression 3 se fait à présent avec l'air de balayage qui entre par la soupape 25, à travers la soupape 15 et la tuyère
16 ; en même temps s'effectue le balayage de la chambre d'explo- sion 2 à l'aide de l'air entrant par la soupape 24 et s'écou- lant par la soupape 21 et la tuyère 23. Le balayage de la cham- bre d'explosion est terminé approximativement au point VIII, et celui de la chambre de compression est terminé approximative- ment au point VIII'. A ces moments VIII et VIII' se ferment donc les soupapes 21, 24 et 15,25. En même temps s'ouvrent les soupapes 7 de la chambre d'explosion et chargent cette chambre en même temps que l'injection de combustible s'effec- tue par les gicleurs 8.
Au moment IX il se trouve présent dans la chambre d'explosion, un mélange inflammable, de sorte que l'allumage puisse s'effectuer par les bougies 9. La détonation se produit de façon qu'au moment I la pression maximum des gaz de combustion se présente. A partir de ce moment, le jeu se répète comme on vient de le décrire.
Dans la figure 3, 28 est la chambre d'explosion,
29 la chambre de compression, 30 le compresseur pour l'air de charge eu de remplissage, 31 le compresseur d'air de balayage, et 32 la turbine de commande des compresseurs. Le refroidisse- ment des parties échauffées par les gaz de combustion se fait par de l'eau sous pression mise en circulation à l'aide de la pompe 33.
Cette pompe aspire l'eau de la chaudière 34 et la refoule de façon qu'elle revienne à celle-ci après avoir passé par le conduit 35, le serpentin de réchauffage 36, le conduit
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37, la botte de soupape 38, la chemise de refroidissement 39 de la chambre de compression 29, la botte de soupape 40 entre la chambre d'explosion 28 et la chambre de compression 29, la chemise de refroidissement 41 de la chambre d'explosion 28, le conduit 42 et finalement l'organe d'étranglement 43. L'eau sous pression circulant par l'action de la pompe s'échauffe sur ce parcours, et en se détendant dans l'organe d'étranglement 43, elle cède à la chaudière 34 une partie de sa masse sous forme de vapeur.
L'eau qui s'est vaporisée dans la chaudière 34 est remplacée dans le conduit 35 par de l'eau puisée dans le réser- voir 45 par la pompe 44, et envoyée par celle-ci dans le con- duit 46 menant au conduit 35. La vapeur dégagée dans la chau- dière 34 passe par le conduit 47 à travers les serpentins de surchauffage 48 dans le conduit 49, et alimente la turbine à vapeur 32 qui commande les compresseurs 30 et 31. Après avoir fourni du travail, la vapeur est condensée dans le condenseur 50, et l'eau de condensation coule dans le réservoir 45. Le procédé de service de l'installa tion qui ainsi a été décrite dans ses parties essentielles, est le suivant :
La chambre d'explosion 28 est d'abord chargée d'air de remplissage venant du compresseur 30 et introduit par les soupapes 51, tandis que l'introduction de combustible se fait par les gicleurs 52.
Le remplissage étant achevé, il y a donc dans la chambre d'explosion un mélange inflammable qui est allumé par les bougies 53. La détonation terminée, la soupape 54 de la chambre d'explosion s'ouvre et les gaz de la combus- tion chauffés à haute température s'échappent dans l'espace à tourbillonnement 55 ;
gaz de combustion partiellement déten- dus dans cet espace et chauffés à une température fortement accrue avec anéantissement de leur énergie d'écoulement intrin- sèque, s'écoulent par l'extrémité d'entrée 56 en forme de dif- fuseur ou tube de Venturi dans la chambre de compression 29
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étendue en longueur, et par suite du passage conique vers les parois allongées de cette chambre, les gaz en question se ré- pandent sur la section totale de la chambre de façon à cmpri- mer à la manière d'un piston, l'air déjà un peu comprimé au préalable et réchauffé qui se trouve dans la chambre.
Au moment où l'air dans la chambre de compression 29 ayant ainsi subi une compression additionnelle, atteint le degré de compression finale, la soupape 57 s'ouvre de façon que l'air comprimé, sous l'action des gaz de combustion qui le poussent par derrière, est chassé vers l'endroit d'utilisation qui n'est pas figuré dans le dessin. Pendant ce processus de compression et d'expul- sion, les parois de la chambre de compression 29, pourvues d'un revêtement intérieur réfractaire 58, sont balayées et chauffées par les gaz de combustion chauds, de sorte que lors de la période de travail suivante, elles échauffent efficace- ment par rayonnement et par contact l'air introduit à compri- mer.
En même temps, grâce à la température des gaz de combus- tion fortement accrue par tourbillonnement, il se produit une transmission active de chaleur des gaz de combustion à l'air au moyen de rayonnement et de contact à la couche en forme de piston qui sépare les deux agents. De cette façon il sera pos- sible de chauffer l'air à une température comme celle que l'on réalise par exemple dans les appareils de Cowper pour les hauts fourneaux.
Pendant le processus qui vient d'être décrit, la soupape 59 a été maintenue fermée. Aussitôt que l'air aura été délogé de la chambre de compression 29 par les gaz de la com- bustion, et qu'il aura été chassé en totalité vers l'endroit de consommation en passant par la soupape ouverte 57, cette soupape se ferme et la soupape 59 s'ouvre. Les gaz de combus- tion qui remplissent la chambre de compression et qui sont sou- mis à une pression qui est au moins égale à la pression
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de compression finale de l'air chassé à l'endroit de consomma- tion, passent maintenant par le conduit 60 à l'échangeur de chaleur 61, qu'ils quittent par le tuyau d'échappement 62.
Aussitôt que la pression des gaz de combustion encore présents dans la chambre de compression 29 sera descendue approximati- vement au niveau de la pression d'air de balayage du compres- seur 31 dans le conduit 63, la soupape 54 de la chambre d'ex- plosion 28 se ferme et en même temps la soupape 64 s'ouvre.
Les gaz de combustion venant de la chambre d'explosion coulent maintenant par le conduit de jonction 65 également à l'échan- geur de chaleur 61, qu'ils quittent aussi par le conduit d'échappement 62. Avec cela, la pression des gaz de combustion dans la chambre d'explosion 28 descend aussi au niveau de la pression d'air de balayage du compresseur centrifuge 31 dans le conduit 66. Les soupapes 67 et 68 s'ouvrent maintenant.
L'air de balayage qui, sous la pfession qui règne dans le con- duit 66, entre dans la chambre d'explosion 28, et l'air de balayage encore qui entre dans la chambre de compression 29 par le conduit 63, l'échangeur de chaleur 61 et le conduit 69, chasse devant lui ce qui reste de gaz de combustion dans les- dites chambres, et pousse ces restes de gaz à l'échangeur de chaleur 61, à travers les soupapes 64 et 59, par les conduits correspondants 65 et 60. Le balayage terminé, c'est-à-dire après expulsion de tous les gaz de combustion des chambres, les soupapes 64 et 59 ainsi que les soupapes à air de balayage 67 et 68 se ferment.
Les chambres d'explosion 28 et de compres- sion 29 sont remplies d'air pur, comprimé au préalable, de aorte qu'il puisse se former dans la chambre d'explosion, - par introduction dans celle-ci de l'air de remplissage sous pression plus forte venant du compresseur 30, et par introduc- tion de combustible,- le mélange inflammable nécessaire pour la détonation suivante. L'alimentation périodique en combusti-
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ble des gicleurs 52 se fait par la pompe à combustible 71 à travers les conduits 70; cette pompe ainsi que le distributeur d'huile 72 qui contrôle les soupapes sont commandés par le moteur 73.
Le contrôle des soupapes s'opère de façon connue à l'aide d'huile sous pression, produite dans la pompe à huile 74; cette huile passe par le conduit 75 au distributeur d'huile 72, d'où elle est distribuée aux différents conduits à huile sous pression 76 à 82, lesquels mènent aux pistons de commande correspondants 83 à 89 des soupapes 51, 84, 85, 86, 68, 57 et
67. L'huile sous pression fait mouvoir les pistons de manière connue en vainquant la pression des ressorts antagonistes.
La forme d'exécution selon la figure 4 diffère de celle selon la figure 3 par certaines dispositions qui vont être décrites ci-après. Les mêmes chiffres désignent ici les mêmes organes que dans la figure 3. La circulation du réfrigé- rant diffère de celle selon la figure 3 en ce que l'agent de refroidissement réchauffé dans le serpentin 36 ne coule pas directement dans les chemises de refroidissement 38,39 de la chambre de compression 29, mais est conduite d'abord dans les chemises de refroidissement 41 de la chambre d'explosion 28; ce n'est qu'après avoir été réchauffé- dans ces chemises 41 que l'agent en question entre dans les chemises de refroidisse= ment 38, 39 et 40, de la chambre de compression 29, et les quitte réchauffé: encore par le conduit 42.
Par ce conduit, l'eau de refroidissement coule comme d'usage à la soupape de réduction de pression 43.
De plus, la chambre d'explosion 28 n'est pas ici alimentée de combustible liquide comme elle l'est selon la figure 3, mais elle est alimentée de combustible gazeux. Le gaz est comprimé dans un compresseur 71a qui remplace la pom- pe à combustible 71 selon la figure 3, et le gaz comprimé est ensuite envoyé dans la chambre, d'explosion 28 à travers, les
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raccords 70 et à travers des'canaux spéciaux 52a des organes d'admission d'air de remplissage 51, remplaçant les gicleurs
52 selon la figure 3,,
Mais ce qui constitue pourtant la différence prin- cipale entre les deux formes d'exécution, c'est la disposition de l'échangeur additionnel 61.
En effet, tandis que selon la figure 3; l'air finalement comprimé est conduit au loin sans réchauffage ultérieur, il est d'après la figure 4, après l'ou- verture de la soupape 57, envoyé par le conduit 90 dans l'échan geur de chaleur 61, qu'il quitte par le conduit 91 après avoir été réchauffé. Grâce au fait que dans l'installation selon la figure 3, l'air à comprimer est déjà réchauffé avant la com- pression, il atteint (contrairement à ce qui est le cas avec l'installation selon la figure 4), par compression dans la cham bre de compression 29 et sous l'action du contact direct avec l'agent de compression et avec les parois chauffées de la cham- bre de compression, de si hautes températures que l'on ne pour- ra pas l'amener à un échangeur de chaleur établi comme d'usage, sans risque de destruction prématurée de cet appareil.
Par con- séquent, la forme d'exécution selon la figure 4, plus simple, convient mieux pour des températures d'air moins élevées, tandis que la-forme d'exécution selon la figure 3 est à préfé- rer lorsque l'air doit être chauffé à des températures plus élevées.
Dans les cas où il s'agit de prévoir les deux éven- tualités, c'est la forme d'exécution selon la figure 5 qui convient. Les chiffres de référence correspondent ici encore à ceux des figures 3 et 4. Il manque ici complètement un échan- geur de chaleur additionnel 61, de sorte que les gaz qui s'échappent de la chambre d'explosion 28 et de la chambre de compression 29 sont conduits par des raccords spéciaux 65 et 60 ainsi que par un tuyau 92 dans la turbine à gaz 93, dans la-
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quelle ils cèdent le reste de(leur capacité de travail; ladite turbine à gaz 93 ensemble avec la turbine à vapeur 32 fournit alors le traail nécessaire pour la commande des compresseurs 71, 30 et 31.
L'air finalement comprimé est par la soupape ouverte 57 et par le conduit 90 envoyé dans un échangeur de chaleur 94, disposé à la faon des appareils Cowper connus.
On sait que dans ces appareils on brûle à intervalles du com- bustible et de l'air que l'on introduit en 96 et 97, de sorte que les briques réfractaires dont ces appareils se composent, s'échauffent fortement. Les produits de la combustion sont évacués en 98. Si l'on introduit maintenant l'air comprimé par le conduit 90 et par le raccord 95, il s'échauffe forte- ment aux canaux de guidage réfractaires:de l'appareil Cowper
94, et à cet état de chauffage à haute température, il peut être retiré en 91.
Dans toutes les dispositions représentées dans les dessins, il parait nécessaire de pousser à un degré maximum la transmission de chaleur entre l'air à comprimer et les gaz de combustion à l'intérieur de la chambre de compression. Les figures 6 et 7 représentent une forme d'exécu tion de la cham- bre de compression qui en donne la possibilité. La partie cy- lindrique 96 de la chambre de compression 29, pourvue encore ici d'extrémités coniques, l'une pour l'entrée, l'autre pour la sortie, est représentée sous une forme raccourcie pour per- mettre d'exécuter le dessin à une échelle plus grande que celle des autres figures des dessins annexés. La chambre de compres- sion est encore pourvue d'un revêtement intérieur réfractaire et isolant 58, et elle est entourée d'espaces de refroidisse- ment ou chemises 39.
De préférence dans la partie cylindrique de la chambre de compression, on a monté des bagues 97 intro- duites concentriquement les unes dans les autres, et faites de matières quir-résistent à de hautes températures, telles que des
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aciers ou das alliages spéciaux; ces bagues, d'une part, aug- mentent dans des proportions excessivement fortes l'aire des surfaces de transmission de chaleur, mais d'autre part elles ne troublent pas l'écoulement des gaz, et notamment pas la compression progressive, opérée à la façon d'une compression par piston sur l'agent à comprimer, par l'agent sous pression servant à la compression.
A la place des garnitures 97 en forme de bagues introduites concentriquement les unes dans les autres, on pourra employer des garnitures de toutes autres formes appropriées, pourvu qu'elles ne troublent pas l'écoule- ment des gaz et des vapeurs. Les garnitures individuelles sont tenues écartées les unes des autres à la distance voulue par des nervures 98 et 99.
- REVENDICATIONS -
1- Procédé de compression d'agents en forme de gaz ou de vapeur, au moyen d'un agent en forme de gaz ou de vapeur déjà sous pression, caractérisé en ce que l'un des ages est comprimé directement par détente de l'autre agent, avec forma- tion et conservation d'une couche de séparation plane entre les deux agents.