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PROCEDE d'EXPLOITATION ET DISPOSITIF POUR TURBINES à GAZ
L'invention vise des procédés d'exploitation et des dispositifs pour turbines à gaz qui permettent de transformer, avec un rendement économique élevé, la chaleur communiquée au fluide gazeux en travail mécanique, tout en uti- lisant les matériaux de construction actuellement disponibles et assurant un prix de revient relativement réduit de l'installation.
Les dispositifs et procédés d'exploitation pour turbines à gaz proposés jusqu'ici ont présenté, sans excep- tion, l'inconvénient que, même théoriquement, ils n'ont permis d'obtenir des ren- dements favorables qlu'en utilisant des températures très élevées et, en particu- lier, dans les procédés à pression constante, des pressions et températures très élevées, Or, la température élevée'impose aux Migres employées, des conditions très sévères et la pression élevée exige une exécution très résistante, chère et lourde.
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Les procédés utilisant le principe de la pression constante exigeant une température élevée, le compresseur qui comprime le gaz pour la tur- bine à gaz et la turbine, dans laquelle s'opère la détente du gaz chaud, présen- taient un rendement peu favorable. Il était avantageux de maintenir la puissance absorbée par le compresseur à un niveau réduit par rapport à la puissance four- nie par la turbine, afin que la différence entre la puissance débitée par la turbine et celle absorbée par le compresseur soit élevée, cette différence étant proportionnelle à la puissance utile débitée par l'installation.
Cependant, com- me dans les turbines fonctionnant à pression constante la puissance fournie par la turbine et celle absorbée par le compresseur sont proportionnelles aux tem- pératures absolues qui règnent dans ces appareils, il était indispensable que la température dans la turbine soit aussi élevée que possible par rapport à. cel- le dans le compresseur.
La pression élevée était nécessaire, car les dispositions pro- posées jusqu'icl n'ont pas utilisé dans une mesure suffisante la récupération (régénération) de la chaleur des gaz d'échappement de la turbine pour le réchaud fage des gaz amenés dans la turbine. Dans ces conditions, la chaleur des gaz d'une température élevée traversant la turbine n'a pu être mise en valeur d'une manière suffisante que par une détente élevée dans la turbine, provoquant leur refroidissement, de telle sorte qu'ils puissent quitter la turbine à une tempé- rature suffisamment basse.
Cette circonstance a également réagi sur la tempéra- ture maximum utilisée, car dans la turbine on n'a pu obtenir une température moyenne élevée, en même temps qu'une basse température d'échappement, qu'au prix d'une température maximum très élevée(,
Le procédé et le dispositif, objets de l'invention, éliminent les inconvénients précités et permettent d'utiliser une turbine à gaz, dans la- quelle la pression maximum et la température maximum sont basses, tandis que son rendement est élevé et son prix d'établissement modéré.
Ainsi, par exemple, une turbine à gaz construite suivant l'invention, fonctionnant à une surpression ne- ximum de deux atmosphères, dans laquelle la température maximum est de 450 0. seulement, permet d'obtenir un rendement global de 30 à 40 pour cent, y compris toutes les pertes. Lors de l'emploi de températures* plus élevées, ce résultat est encore plus favorable. Ceci est obtenu suivant l'invention grâce à ltappli- cation des solutions suivantes t
1 ) La chaleur des gaz d'échappement quittant la turbine est récupérée dans un échangeur où ils sont refroidis en réchauffant les gaz com-
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-primés amenés.
Cet échangeur de chaleur parfait, d'un prix réduit et d'une exécution facilement réalisable, permet de rapprocher étroitement les tempéra- tures des gaz amenés dans la turbine et des gaz d'échappement quittant la tur- bine. D'autre part, la température des gaz d'échappement quittant l'éohangeur de chaleur se rapproche étroitement de la température des gaz comprimés amenés dans l'échangeur de chaleur. Dans ces circonstances, l'emploi d'un étage de pression élevée n'est pas nécessaire et il suffit, même il est favorable, d'uti- liser une basse pression,
2 ) Le compresseur utilisé présente un rendement élevé et un faible prix de revient. Il s'adapte bien au refoulement des gaz comprimés d'un volume élevé par unité de travail à un étage de pression réduite.
Ce compres- seur (pour le distinguer des compresseurs exigeant des organes assurant l'étan- chéité) est un compresseur rotatif aérodynamique, dans lequel la vitesse de traversée des gaz est élevée, de telle sorte que les dimensions du compresseur sont relativement petites, La vitesse de traversée élevée est possible, sans nuire au rendement, du fait que le compresseur comporte plusieurs étages et que son exécution est telle que ce n'est pas seulement la composante périphéri- que de la vitesse des gaz qui subit une variation par suite de la transmission de l'énergie. En projetant la trajectoire dans un plan placé dana l'axe mé- dian, le mouvement des gaz s'effectue sans changement de direction appréciable.
Des compresseurs répondant à ces conditions sont, par exemple, les compresseurs axiaux ou purement radiaux, mais ceux-ci peuvent être aussi combinés de manière que le mouvement s'effectue sur une surface conique autour de l'axe. Les avan- tages que l'emploi de tels compresseurs procure, permettent d'obtenir un ren- dement favorable même à une température maximum réduite.
3 ) L'introduction de la chaleur provenant du combustible, c'est à-dire la combustion est effectuée de manière que la température maximum qui règne dans la turbine, ne dépasse que très peu la température à laquelle les gaz amenés à la turbine quittent l'échangeur de chaleur, Suivant ce procédé la température moyenne dans la turbine se rapproche le plus près possible de la température maximum admissible, ce qui est favorable au point de vue du rendement.
Le rendement favorable précité qu'on peut obtenir dans des conditions d'exploitation très aisées, montre que le procédé et le dispositif objets de l'invention, réalisent un effet technique nouveau Important par rapport aux turbines à gaz proposées jusqu'ici,
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D'âpres ce qui précède, l'installation nécessaire pour la mise en exploitation du procédé comporte trois parties principales :
le compresseur qui comprime le fluide à partir de la limite de pression inférieure du procède à la limite de pression supérieure de celui-ci, un échangeur de chaleur qui réchauffe le fluide comprimé et refroidit le fluide quittant la turbine, entin la turbine proprement dite, dans laquelle le fluide comprimé et réchauffé se détend tout en fournissant du travail mécanique, tandis qu'on lui communique de la chaleur additionnelle*
La figure 1 (comprenant les parties la et lb) des dessins an- nexés montre ,à titre d'exemple, une coupe schématique d'une disposition pos- sible de l'installation.
La figure 2 est le diagramme pression-volume d'un cycle de travail du procédé utilisé.
La figure 3 montre graphiquement la commande de l'échangeur de chaleur régénérateur.
Les figures 4 et 5 représentent respectivement la vue et la coupe d'un élément accumulateur de 1'échangeur de chaleur, enfin
La Figure 6 est le schéma de la disposition d'une seconde solution de la turbine à gaz, objet de l'invention.
Sur la figure 1, le rotor 5, supporté dans les paliers 3, 3' et rendu étanche par les presse-étoupe 4,4', est logé dans la bolte 1 de la turbine et il porte les aubes 6 disposées en plusieurs étages, Dans la boîte 1 se trouvent les couronnes d'aubes fixes directrices 7. Les gaz entrent dans la botte 1 par le tuyau 8 et la quittent par le tuyau 9. Les brûleurs 10 sens permettent l'introduction du combustible, c'est-à-dire de la chaleur à trans- former en travail mécanique; le combustible,ou la chaleur,est introduit dans la turbine directement dans les gaz en mouvement en plusieurs endroits entre les différents étages de la turbine.
Sur la figure, le premier bfuleur est placé à l'amont de la première roue à aubes de la turbine, toutefois, ceci n'est pas toujours nécessaire; en général, il suffit que l'introduction de la chaleur commence seulement après le premier étage ou après les premiers étages de la turbine. La tuyauterie 11 permet l'amenée du combustible et la tuyaute- rie 12, l'amenée d'une substance auxiliaire, de l'air comprimé par exemple, éventuellement nécessaire pour la combustion.
L'arbre 13 du rotor 5 de la turbine est accouplé avec l'arbre 15 du rotor 14 du compresseur rotatif, l'ar-
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-bre 15 étant supporté dans les paliers 16, 16' et rendu étanohe dans la botte 17 du compresseur par les presse-étoupe 18, 18',
L'exécution du compresseur représentée sur le dessin, est celle d'un compresseur axial à aubes, Le rotor 14 possède les aubes rotatives 19 disposées en plusieurs étages, tandis que les aubes directrices 20 sont logées dans la boite 17.
Les gaz à comprimer (l'air) entrent dans le compresseur par la tubulure 21 et ils le quittent à l'état oomprimé par la tubulure 22, Après avoir passé par le tuyau 23 et par un des éléments éohangeurs de chaleur accu- mulateurs 24,24", 24''', les gaz comprimés sont amenés dans la turbine par le tuyau 25, Le tuyau 23 est raccordé aux chambres de soupape 26', 26" et 26''', séparées des éléments accumulateurs de chaleur par les soupapes 27', 27'', 27''', Si l'une de ces soupapes est ouverte, les gaz sont admis dans l'accu- mulateur de chaleur correspondant.
A ce même côté des accumulateurs de chaleur se trouvent les soupapes 28', 28", 28''', qui séparent les chambres de soupape 29', 29", 29 "' des accumulateurs de chaleur; ces dernières chambres communi- quent avec la tubulure 30 par laquelle les gaz d'échappement quittent l'ins- tallation.
De l'autre cté des accumulateurs de chaleur, les éléments accumu- lateurs sont séparés des chambres de soupape 32', 32", 32''' reliées au tuyau 25, par les soupapes 31', 31", 31''' et des chambres de soupape 35' 35", 35''' reliées axes le tuyau 34 par les soupapes 33' 33", 33''', Les chambres des éléments accumulateurs de chaleur 24' 24", 24'''sont entièrement séparées les unes des autres, de telle sorte que dans chacune d'elles les gaz ne peuvent accéder que par les soupapes correspondantes.
Suivant cette exécution, décrite à titre d'exemple, toutes les soupapes sont commandées; cette commande est opérée par les cames fixées sur les arbres 36, 36', Ces arbres sont commandés d'une manière quelconque, par exemple par le moteur électrique 37. Les mouvements de ces deux arbres ne sont pas indépendants l'un de l'autre et la chaîne et les roues à chaîne assurent l'ajustement mutuel convenable des cames de commande des soupapes*
Les accumulateurs de chaleur 24', 24", 24''' sont exécutés de manière qu'ils laissent passer lea gaz dans les deux sens marqués par les flèches.
L'installation fonctionne de la manière suivante
Le fluide, par exemple l'air, entre dans la boîte 17 du compres- seur par le tuyau 21 à une température absolue To et à une pression po(voir la
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figure 2). Le gaz yest comprimé par le rotor 14 du compresseur, tandis que la pression du gaz s'élève à P1 et sa température à T1.
Le gaz comprimé est amené à travers le tuyau 22 ,23 dans les chambres de soupape 26', 25", 26''' et il passe par celles des soupapes 27', 27", 27''' qui sont ouvertes dans l'accumulateur de l'échangeur de chaleur, Les soupapes de l'échangeur de cha- leur sont commandée!! de manière que des deux côtés de l'échangeur de chaleur il y ait toujours des soupapes ouvertes et les gaz passent soit du tuyau 23 dans le tuyau d'admission 25 de la turbine, après avoir traversé l'accumula- teur de chaleur dans un sens, soit du tuyau de sortie 34 de la turbine dans le tuyau 30 en traversant l'accumulateur de chaleur dans le sens contraire. Sup- posons que les soupapes 26' et 31'sont ouvertes et que les soupapes 28' et 33' sont fermées.
En mêmes temps, les soupapes 33", 33''', 28", 28''' sont égale- ment ouvertes et les soupapes 31", 31''', 26" et 26''' sont fermées. Dans ces conditions, le gaz comprimé passe par l'accumulateur de chaleur 24' dans le sens de la flèche I et entre dans la boite 1 de la turbine par le tuyau 25 et la tubulure 8. Abstraction faite de la légère chute de bression cauéée par le frottement du gaz, lors de son passage dans l'accumulateur de l'échangeur de chaleur, la pression du gaz ne varie pas, mais sa température absolue s'élève de T1 à T2, car le gaz absorbe la chaleur transmise par l'accumulateur de chaleur. Pendant ce procédé, l'accumulateur de chaleur est refroidi dans une certaine mesure.
Dans la turbine, la température du gaz peut être portée de la valeur T2qu'il présente après sa sortie de l'échangeur de chaleur avant son entrée dans la turbine, à la valeur supérieure T3 (figure 2). On peut cepen- dant entièrement omettre cette amenée de chaleur préliminaire, ce qui peut même conduire à un rendement favorable. Dans ce cas T2 - T3, donc, la tempe- rature de sortie de l'échangeur de chaleur est en même temps la température maxima du fluide, L'introduction de la chaleur dans le gaz peut être effectuée d'une manière quelconque, par exemple par la combustion direct du combustible dans la turbine, ou par exemple en introduisant dans la turbine les produits de combustion chauds du combustible déjà brûlé.
Le rotor de la turbine transforme l'énergie du gaz en travail mécanique et le gaz se détend successivement en traversant la turbine, tandis que sa pression diminue de P1 à Po et sa température atteint la valeur T4.
Afin d'obtenir un bon rendement, il est préférable d'effectuer successivement
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l'admission de la chaleur additionnelle dans la turbine, de manière que la détente du gaz dans la turbine soit à peu près isothermique lorsque T3 = T4, Ceci est obtenu grâoe à une disposition appropriée des brûleurs 10 et par le réglage convenable de la chaleur introduite. Donc, si avant la turbine il n'y a aucune admission de chaleur préliminaire, on peut faire en sorte que la température T2 de la sortie de l'échangeur de chaleur soit à peu près égale à la température T4 de la sortie de la turbine.
Après leur sortie de la turbine et après avoir traversé la tubulure 9, le tuyau 34 et les soupapes 33" et 33''', les gaz d'échappement passent par l'échangeur de chaleur accumulateur 24", 24''' dans le sens de la flèche II, sans variation de leur pression, abstraotion faite de la légère chute de pression causée par les frottements dans l'accumulateur de chaleur,, Toutefois, leur température diminue de T4 à T5, car les gaz communiquent leur chaleur à l'accumulateur de chaleur, tandis que ce dernier se réchauffe lente- ment. Les gaz arrivent dans le tuyau 30, à travers les soupapes 28" et 28''', et quittent l'installation,
En négligeant le rendement du compresseur et de la turbine, le travail fourni par la turbine à gaz est égal à la surface To, T1, T3, T4.
Le travail absorbé par le compresseur est représenté par la surface P0,T0,T1, P1 et le travail fourni par la turbine par la surface P1, T3, T4, P0, Le travail utile est la différence de ces deux dernières surfaces, Afin que cette différence puisse être aussi grande que possible, il faut que tant la turbine que le compresseur présentent un rendement aussi élevé que possible, A ce point de vue et aussi à celui d'un prix réduit de l'installation, la solution conforme à l'invention est dtune importance décisive* Cette solution est basée sur la constatation que le compresseur qui stadapte le mieux au but en- visagé est un compresseur rotatif aérodynamique à plusieurs étages, dans lequel abstraction faite des variations de direction tangeantielles, nécessaires à la transmission de l'énergie, le chemin du gaz est une droite,
ou à peu près une droite, car dans ce cas il n'y a aucune perte superflue due aux déviations et on peut obtenir un bon rendement même à une vitesse de traversée élevée. Dans ces compresseurs le mouvement du gaz autour de l'axe s'effectue approximati- vement et en moyenne sur une surface cônique; la substitution à la surface cônique d'une surface de révolution plus générale, peu différente, ne provoque aucune modification sensible dans le fonctionnement et dans le rendement*
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Outre ces compresseurs dans lesquels la traversée se fait suivant une surface c8nique, on peut envisager des compresseurs axiaux et radiaux, étant donné que dans le premier la surface cônique est réduite en un cylindre et dans l'autre en un plan perpendiculaire à l'axe.
En général, ces compresseurs sont caractérisés par le fait que l'axe médian de la coupe méridienne des espaces destinés à l'emplacement des aubes mobiles et directrices et au passage des gaz en mouvement, c'est-à-dire de la coupe des espaces compris entre les pa- rois limitant le mouvement du gaz, est une droite ou approximativement une droite. La disposition suivant laquelle le compresseur comprend deux rotors, tournant en sens inverses, est très favorable. Dans ce cas, les aubes direc- trices 20 tournent en sens inverse par rapport au rotor 14. Tous ces compres- seurs présentent le grand avantage que, par suite de la vitesse de traversée admissible très élevée, leurs dimensions sont très réduites.
Le rendement mécanique qu'on peut obtenir avec ces compresseurs, atteint 90 pour cent, donc leur emploi dans l'installation, objet de l'invention, est d'une importance décisive.
En ce qui concerne le rendement global, il est essentiel que le travail absorbé par le compresseur soit réduit. Pour cette raison, comme la compression dans ce dernier entraine toujours une certaine augmentation de la température, il n'est pas avantageux de porter le rapport P1/P0 (l'éta- ge de pression) au-dessus de 8. Si aucun refroidissement n'intervient, on se contentera de préférence d'un rapport de pression encore plus réduit; ainsi par exemple la valeur de pi/po @ 4 est satisfaisante. Dans le casd'un refréi- dissement intermédiaire, par exemple si la vaporisation de l'eau est utili- sée pendant ou après la compression, le rapport de compression peut être plus élevé.
Lorsque le gaz traverse les éléments accumulateurs de chaleur dans le sens de là flèche I, ils sont refroidis en réchauffant le gaz ; d'au- tre part, lorsque le mouvement du gaz suit le sens de la flèche II, ils sont réchauffés, tandis que les gaz d'échappement sont refroidis. Pour cette rai- son les éléments accumulateurs de l'échangeur de chaleur sont insérés alterna- tivement pendant une certaine durée avant la tubulure d'admission de gaz de la turbine, afin de réchauffer le gaz comprimé et ensuite après la tubulure d'échappement de la turbine, afin de refroidir les gaz d'échappement.
Au cours de ces deux phases de fonctionnement, les mouvements des gaz dans
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les éléments accumulateurs de chaleur se fait en sens opposés (accumulateur à flux alternés),L'exécution de J'échangeur de chaleur, représentée sur la figure 1 à titre d'exemple, comprend trois éléments accumulateurs de chaleur.
Le schéma de la commande des soupapes de cet appareil est représenté par le graphique de la figure 3, où le temps est porté horizontalement et où les distanoesh entre les courbes et l'axe horizontal sont proportionnelles à la levée des soupapes individuelles. La courbe en pointillé se rapporte au cas où l'accumulateur de chaleur est traversé par des gaz d'échappement de la turbine (sens de la flèche II), tandis que la courbe en traits pleins indi- que la traversée des gaz comprimés (sens de la flèche I).
Afin d'assurer la continuité du.mouvement des gaz, il faut prévoir au moine deux éléments ac- cumulateurs de chaleur Suivant l'exécution représentée sur la figure 3, il y a trois éléments, dont deux sont constamment insérés à l'aval de la turbi- ne et le troisième à l'amont de celle-ci* En général, il est préférable d'in- sérer toujours plus d'éléments à l'aval de la turbine qu'à l'amont de celle- ci, car ainsi la chute de pression due au frottement dans l'accumulateur de chaleur peut être réduite.
L'échangeur de chaleur peut comprendre un nombre d'éléments quelconque, dont la commande peut être effectuée non seulement au moyen de soupapes, mais de toute autre manière, par exemple au moyen de vannes, ou de soupapes partiellement automatiques,
Si un élément accumulateur de chaleur est traversé par les gaz dans le même sens pendant une durée prolongée, le refroidissement ou réchauf- fement de cet élément entraîne la diminution du rendement de la turbine et, alors, il est utile de passer à la traversée dans le sens inverse. Sur la figure 3, une période de fonctionnement complète est indiquée par T; après cette durée les échangeurs de chaleur se trouvent dans la même phase de leur fonctionnement.
La variation de la température d'un échangeur de chaleur donné dépend de la durée T; elle est grande si T est élevé et elle est pe- tite si T est réduit, Lors de la commutation d'un élément accumulateur de chaleur d'un sens de courant à l'autre, une variation de pression se mani- feste dans celui-ci, étant donné que pour un sens de traversée l'accumula** teur de chaleur est inséré à l'amont de la turbine et pour l'autre sens à l'aval de celle-ci. Le remplissage et la décharge relatifs à cette variation de la pression provoquent une perte de travail, Pour un appareil donné cette perte est d'ailleurs d'autant plus grande que la commutation des
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accumulateurs est plus fréquente.
D'autre part, la perte de travail due à la variation de la température de l'accumulateur de chaleur varie en raison inverse de la fréquence des commutations, donc elle est d'autant plus réduite que la fréquence des commutations est plus élevée. Afin d'obtenir un rendement élevé, on choisira, de préférence, la durée des commutations de telle sorte que ces deux pertes soient approximativement égales.
Afin que la perte-due à la variation de température des accu- mulateurs de chaleur ne soit pas excessive, on les dimensionnera,de préférence, pour une fluctuation de température réduite, c'est-à-dire qu'on leur donnera une capacité thermique suffisante. On choisira la durée des commutations en conséquence. De cette façon en peut obtenir, entre deux commutations, une va- riation de la température inférieure à 50 0., ce qui est également important au point de vue d'un rendement favorable.
Afin de réduire les pertes de charge et d'obtenir un prix ré- duit, les accumulateurs de chaleur doivent présenter un volume d'air réduit.
Pour cette raison, il est avantageux de les exécuter d'une manière connue, par exemple sous forme de lames laissant entre elles des passages d'une dimension inférieure à 2 mm. perpendiculairement au mouvement du gaz. Les figures 4 et 5 représentent à. titre d'exemple, l'exécution d'un accumulateur de chaleur com- prenant les lames 40 (en métal, en acier ou en fer), maintenues à une distance déterminée les unes des autres par les Intercalaires 41. Afin que même entre les pièces 41, les lames ne puissent pas s'approcher ni s'éloigner, elles por- tent les ondulations 42 qui s'appuient sur les lames planes 43 déposées de part et d'autre de la lame ondulée. Entre les lames les gaz suivent le sens de la flèche.
Dans le sens du mouvement des gaz, les lames ont une dimension réduite (inférieure à 20 mm.) et entre les rangées (étages) de lames,il y a une couche d'air mince qui agit dans le sens du mouvement du courant comme un isc- lant thermique. Comme, par suite de ces couches d'air, l'accumulateur de cha- leur ne conduit pas la chaleur, une différence de température importante peut se manifester entre les deux extrémités de celui...ci. D'un coté de ldaccumula- teur de chaleur, ce sont toujours les gaz comprimés qui entrent et absorbent la chaleur de l'accumulateur, denc, à cette extrémité l'accumulateur de chaleur sera plus froid qu'à l'autre extrémité, où les gaz d'échappement de la turbine entrent et communiquent leur chaleur à. l'accumulateur.
Entre les deux extrémités
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de l'accumulateur la température varie successivement* Un tel accumulateur de chaleur, exécuté comme échangeur de chaleur à courant alternés, permet de réchauffer le gaz comprimé avec une perte réduite, ce qui est important au point de vue du rendement global de la turbine. Il est utile d'employer dans l'accumulateur de chaleur un nombre élevé d'étages, de préférence, plus que 30 étages.
L'accumulateur de chaleur peut être aussi exécuté à l'aide d'une matière poreuse non conductrice de ohaleur; dans ce cas, il n'est pas nécessaire de l'exécuter en lames, On peut obtenir des accumulateurs de cha- leur très simples et bon marché, si l'on superpose des tamis de fils ou des filets et si l'on dirige le courant de gaz perpendiculairement aux couches de tamis, D'après ce qui précède, on placera, de préférence, entre les couches de tamis individuelles des Intercalaires non conducteurs de chaleur, afin d'obtenir un meilleur isolement dans le sens du courant.
L'échangeur de chaleur présente une grande importance au point de vue du rendement global de l'installât ion* La résistance thermique des organes de la turbine limite la température maximum admissible et le rendement est d'autant plus élevé que la température de sortie de l'échangeur de chaleur se rapproche plus de la température maximum (moyenne) du procédé* Il est essentiel que dans l'échangeur de chaleur le gaz soit réchauffé à une température aussi voisine que possible de la température maximum, au moins 70 % de celle-ci. La condition d'égalité approximative de la température du gaz comprimé quittant l'échangeur de chaleur et de la température maximum du procédé, entraîne l'égalité approximative de la température T5 (figure 2) et de la température T1.
Ainsi, la quantité de chaleur contenue dans les pro- duits de combustion, quittant la turbine et l'échangeur de chaleur, est pe- tite et elle est approximativement indépendante du rapport de pression. Pour cette raison, même au point de vue du rendement, il n'est pas nécessaire de donner une valeur élevée au rapport P1/P0. Il est même préférable de mainte- nir ce rapport à la valeur réduite déjà mentionnée, ce qui présente de grands avantages de construction, d'exécution et d'exploitation pour l'installation, objet de l'invention, et contribue à réduire son prix de revient.
Comme l'échangeur de chaleur fonctionne avec une certaine perte, la température T2 de la sortie de 1$échangeur de chaleur sera infé- rieure à celle T4 de l'amenée dans cet appareil. Afin de réaliser la condi-
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-tion précitée, il est nécessaire que d'abord, la différence T4-T2 proportion- nelle à la perte dans l'échangeur de chaleur, soit réduite et que la tempéra- ture maximum Tmax qui règne dans -la turbine, ne diffère pas sensiblement de T4. La différence T4-T2 est petite ai l'échangeur de chaleur présente une surface de transmission de chaleur élevée et s'il comporte un grand nombre d'échelons, En réalité, ce n'est que lorsque le nombre d'échelons devient intfini et que la surface est infinie que T4-T2.
En tout cas., l'augmentation de la surface de transmission de chaleur et du nombre des échelons diminue la différence T4-T2.
Dans la turbine la température maxima peut être réglée en réglant l'admission de la chaleur additionnelle* Ainsi, par exemple, lors de la détente isothermique, avantageuse d'âpres ce qui précède, Tmax -T4.
Pendant le passage des gaz dans les accumulateurs de chaleur la pression diminue en raison des frottements. Pour des vitesses élevées, ces frottements peuvent entraîner des pertes importantes, donc, on ne doit pas trop augmenter la vitesse. Elle sera de préférence maintenue inférieure à 20 m/sec.
Un avantage important du dispositif décrit réside dans le fait que, par suite du bon rendement du compresseur, il permet d'obtenir un rende- ment très favorable morne A une température maximum relativement réduite. Ceci est important surtout au point de vue de la sécurité de service, du prix er de la durée de la turbine, Ainsi, si la température maximum moyenne du fluide ne dépasse pas 450* C., on peut déjà obtenir un très bon rendement thermique.
A des températures supérieures le rendement s'améliore encore, toutefois, il n'est pas utile d'augmenter la température au-delà de la limite que les maté- riaux de construction peuvent normalement supporter. Pour cette raison, il n'est ni recommandable, ni même nécessaire, de dépasser la température de 600 C. -
L'installation est très simple, si la limite de pression Inférieure Po est la pression atmosphérique. Dans ce cas l'échappement peut s'effectuer à travers le tuyau 30 dans l'atmosphère, la chaleur perdue est évacuée par les gaz et l'eau de refroidissement n'est pas nécessaire. Dans et cas, en raison de l'étage de pression réduite, la surpression maximum est également très réduite, et la réalisation n'est pas coûteuse.
Les dimensions de la turbine à gaz peuvent être réduites si
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la pression initiale du compresseur est supérieure à la pression atmosphérique, Dans ce cas, la pression qui règne dans le tuyau 30, augmente également et ce tuyau ne communique pas avec l'atmosphère, Une turbine à gaz de ce système est représentée schématiquement sur la figure 6.
Ici, la pression initiale Po du gaz, amené au compresseur 44, est supérieure à la pression atmosphérique, Le gaz est admis dans le compresseur par le tuyau 45 et il le quitte à travers le tuyau 46 A und pression supérioure; il traverae l'échangeur de chaleur 47, re- présenté schématiquement, il arrive à travers le tuyau 48 dans la turbine 48 où il fournit le travail pendant l'introduction de la chaleur additionnelle, puis il se détend et quitte la turbine par le tuyau 50.
Le gaz traverse en- suite de nouveau l'éohangeur ,mais en sens inverse et arrive à travers le tuyau 51 dans le réfrigérateur 52 où, sous l'influence de la substance réfrigérante qui traverse les tuyaux 53, il se refroidit de T5 à T0 (voir le cyche de travail sur la figure 21, enfin, il entre de nouveau dans le compresseur.
Par suite de la combustion qui s'effectue dans la turbine, il faut remplacer la teneur en oxygène du fluide; pour cette raison, à titre d'exemple, une partie des gaz cité- chappement, prise avant l'échangeur de chaleur 47, est Introduite à travers le tuyau 54 tracé en pointillé dans la turbine auxiliaire 56, dans laquelle la quantité de gaz introduite se détend à la pression atmosphérique et s'échappe à travers le tuyau 57, La turbine 56 entraîne le compresseur 58 qui aspire une quantité d'air, dont le poids est égal à celui des gaz d'échappement* L'air y est' comprimé sous une pression Po supérieure à la pression atmosphérique et l'air arrive à travers le tuyau 59 et le réfrigérateur 60,
soit à l'amont du réfrigé- rateur 52 à travers le tuyau 61 marqué en pointillé, soit à l'aval du réfrigéra- teur à travers le tuyau 62 dans le tuyau à basse pression. Le fonotionnement de cette installation, établie d'après le système à surpression, est ep principe le même que celui de la solution représentée à titre d'exemple aur la figure 3,
Au lieu de la partie basse pression, l'oxygène frais, nécessai- re à la combustion interne, peut être aussi introduit directement dans la tur- bine. Dans ce cas, suivant la variante représentée sur la figure 6, le compres- seur 65 débitant l'air frais, refoule l'air à travers le tuyau 66 et l'échan- geur de chaleur 67 vers les brûleurs 64.
La turbine auxiliaire 68 commandant le compresseur 65 est alimentée à partir du tuyau 69; avant cette turbine auxiliai- re les gaz communiquent la chaleur qu'ils contiennent en excès à l'écha@@@eur de chaleur 67 et réchauffent l'air comprimée
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Il peut se faire également que la puissance de la turbine auxi- laire ne suffise pas pour entraîner le compresseur. Dans un tel cas, la puissan- ce en défaut peut être remplacée par une autre commande extérieure, ou bien la puissance de la turbine peut être augmentée en y établissant une combustion in- terne. L'air frais nécessaire à cet effet est amené par le tuyau 70.
Au point de vue du rendement global de l'installation il est utile de refroidir le gaz pendant la compression effectuée dans le compresseur.
Comme nous l'avons déjà. mentionné, ceci peut être obtenu de la manière la plus simple par injection d'eau ou par un refroidissement intermédiaire réalisé pen- dant la compression; ce refroidissement peut être prévu pour la turbine à échap- pement de même que pour la turbine du système à surpression. L'eau de refroidis- sement nécessaire est introduite par exemple par la tuyauterie 63. Dans une ins- tallation conforme aux figures 1 ou 6,on peut aussi prévoir une prise au tuyau de refoulement 22 ou 46 du compresseur, afin d'en extraire du gaz comprimé qu'on peut utiliser soit pour la commande d'une turbine, soit pour tout autre but. Il est utile de prévoir un revêtement calorifuge sur les organes de la turbine à gaz soumis à des températures élevées.
Pour les organes dans lesquels la pression n'est pas constante (par exemple les accumulateurs de chaleur), il est préférable de prévoir un isolement non poreux, d'un volume d'air réduit.
Dans l'installation faisant l'objet de l'invention à l'excep- tion du compresseur, la turbine, de même que l'échangeur de chaleur, peuvent être d'un système quelconque, différant des exécutions décrites à titre d'exemple, à condition que les stipulations y relatives, précédemment exposées, soient* satis- faites4 Les possibilités d'application de ces différents organes dépendent en premier lieu du rendement qu'on peut obtenir. Seuls les dispositifs présentant un rendement élevé peuvent être employés avec succès,