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Installation thermique de force motrice dans laquelle un fluide de travail gazeux circule en circuit fermé.
L'invention concerne une installation thermique de force motrice dans laquelle un fluide de travail gazeux circule en cir- cuit fermé, est chauffé indirectement par un apport de chaleur - en extérieure, puis se détend dans au moins une turbinecédant son énergie à au moins un récepteur d'énergie utile, et est ensuite ramené à une pression plus élevée dans au moins un turbo-compres- seur, le courant du fluide de travail détendu transmettant dans un échangeur de la chaleur au courant de fluide de travail comprimé, mais non encore chauffé par un apport de chaleur extérieure.
Dans les installations de ce genre, le fluide de travail
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gazeux, de préférence l'air, est chauffé indirectement par un apport de chaleur extérieure, c'est-à-dire à travers des surfaces de chauffe, dans des échauffeurs tubulaires. Le fluide de travail circule dans les tubes de l'échauffeur qui sont exposés extérieurement à l'action des gaz de chauffage produits dans une chambre de combustion. Si l'installation doit fonctionner avec un bon rendement, le fluide de travail doit être porté à des températures très supérieures aux températures maxima usuelles dans les chaudières à vapeur. Les tu- bes de l'échauffeur sont alors exposés à des températures supérieu- res de 50 à 1000 à celle du fluide de travail et subissent par con- séquent des contraintes thermiques élevées.
Il est donc nécessaire de les fabriquer avec des matières de haute résistanceà chaud, très coûteuses, ce qui doit retenir l'attention d'autant plus que le prix de l'échauffeur, par rapport au prix de l'ensemble de l'in- stallation, joue un rôle considérable. Pour réaliser une économie à ce point de vue dans une installation thermique du genre indiqué, suivant l'invention, l'apport de chaleur extérieure au fluide de travail est tout d'abord effectué dans au moins un étage à tempéra- ture modérée, par exemple avec une pression voisine de la pression atnosphérique dans la chambre de combustion, et ensuite dans au moins un étage de température plus élevée, avec une press on plus élevée dans la chambre de combustion.
Dans l'étage inférieur de chauffe par apport de chaleur extérieure, les surfaces d'échange de chaleur sont bien relativement grandes, étant donné qu'une pression à peu près égale à la pression ambiante règne dans la chambre de combustion. Par contre les températures de ces surfaces sont encore tellement basses que les tubes peuvent être faits en aciers non alliés, ou en aciers faiblement alliés, donc relativement peu coûteux. Dans l'étage supérieur: prévu pour l'apport de chaleur extérieure, la surpression régnant dans la chambre de combustion favorise l'échange de chaleur, de sorte que les surfaces d'échange
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peuvent être réduites. Ceci est important parce que les tubes de cet étage doivent être faits , en matières de haute résistance à chaud.
En conséquence, l'a plication de l'invention n'exige l'emploi de tubes échauffeurs en acier de haute résistance à chaud que dans le ou les étages à haute température. Mais, étant donné qu'il règne une surpressiondans la chambre de combustion de cet étage, cette surpression favorisant de manière connue l'échange de la les surfaces des tubes de cet étage deviennent rela- tivement réduites ainsi qu'il a été indiqué précédemment, et il en résulte égalenent une réduction de la matière coûteuse, très résistante à la chaleur, d'autant plus que la surpression régnant dans la chambre de combustion réduit également les contraintes auxquelles sont soumis les tubes.
Par le fait que la pression régnant dans l'étage à température modérée, prévu pour l'apport de chaleur extérieure au fluide de travail, est égale par exemple à la pression ambiante, il est également possible d'utiliser dans cet étage des combustibles peu coûteux laissant des résidus, c'est-à-dire des combustibles solides (charbon) ou des gaz insuffisamment épurés. Ceci est d'ure part dû au fait que, grâce aux températures relativement basses,' les dépôts de mâchefer et les attaques par ces dépôts ne sont pas à craindre. D'autre part, les gaz de combustion ne sont pas sous pression, de sorte qu'il n'est pas nécessaire de les détendre dans des machines spéciales dans lesquelles les résidus des combustibles pourraient facilement entraîner des perturbations de fonctionne- ment etde mauvais rendements.
Il suffit donc d'employer les combustibles liquides et coûteux, ainsi que les gaz épurés, dans l'étage à température plus élevée, dans la chambre de combustion duquel règne également une pression plus élevée.
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Un mode de réalisation de l'objet de l'invention est,re- présenté schématiquement sur le dessir anexé à titre d'exemple..
La figure montre une installation thermique de force motrice fonctionnant avec de l'air chaud circulant en circuit ferme.
Le chauffage de l'air du circuit fermé, par un apport de chaleur extérieure a lieu tout d'abord dans un étage à tempé- rature modérée, constitué par un échauffeur à bubes 1. Cet échauf- feur 1 est construit pour l'emploi de combustibles peu coûteux, de préférence solides. Dans la chambre de combustion, dans laquelle est monté un dispositif de chauffage 2 traversé par l'air à échauffer, règne une pression par exemple égale à la pression 'ambiante.
Etant donné que les tubes de cetéchauffeur 1 ne sont pas exposés aux dépôts de mâchefer, ni aux attaques par Ce mâchefer, ils peuvent être faits en aciers faiblement alliés, par exemple en aciers au chrome ou au. chrome-nickel avec les additions appropriées.
En sortant de l'échauffeur tubulaire 1, l'air du circuit fermé est porté à la température 1a plus élevée de 1'ensemble dans un autre étage 3, à température plus élevée, et constiaué également par un échauffeur à tubes. Cet étage 3 à température supérieure est équipé d'un brûleur 4, alimenté en gaz épuré ou en combustible li- (lui de par un conduit 5, tandis que l'air comprimé arrive par un conduit 6.
Dans la chambre de combustion de l'étage 3 à température élevée règne une pression supérieure a 1a pression atmosphérique, et elle contient un dispositif de chauffage 7, raccordé, d'une part, au dispositif de chauffage 2 de l'étage 1 à tenpéveture modérée, et, d'autre part, à l'entrée d'une turbine à hante pression 8. L'air
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pression 8 est soumis a un réchauffage intermédiaire qui est égale- ment effectué en deux étages, c'est-à-dire tout d'abord dans un étage 10 à température modérée et ensuite dans l'étage 3 à haute température, déjà indiqué. Les deux dispositifs de chauffage, que. traverse l'air soumis au réchauffage intermédiaire, sont indiqués en 11 et 12. Le dispositif de réchauffage 11 est monté dans la chambre de combustion de l'étage à température modérée 10, tandis que le dispositif de réchauffage 12 est monté dans la chambre de combustion de l'étage à haute tempera-cure 3, dans laquelle règne une pression supérieure à la pression atmosphérique.
L'air rechauffé sortant du dispositif de réchauffage 12 est davantage détendu dans une turbine à basse pression 13, qui actionne un récepteur d'énergie ae présentant sous la forme d'une génératrice 14. - 15 désigne un train de transmission reliant les rotors du groupe 8,9 aux rotors du groupe 13,14, et dont la fonction consiste essentiellement à assurer une compensation de l'énergie engendrée par la turbine 8, si cette énergie ne correspond pas exactement à celle absorbée par le compresseur 9.
L'air sortant de la turbine à basse pression 13 arrive par un conduit 16 dans un échangeur de chaleur 17, se présen- tant sous la forme d'un appareil à contre-courant, et dans lequel cet air cède de la chaleur à l'air de pression plus élevée, arrivant dans l'échangeur 17 du compresseur 9 par un conduit 18, et partant de cet échangeur par un conduit 19 en direction du dispositif de chauffage de l'étage a température modérée 1. L'air qui arrive dans l'échangeur 17 par le conduit 16, en venant de la turbine à basse pression 13, et qui cède de la chaleur dans cet échangeur, traverse 'ensuite d'abord un pré-réfrigérateur non représenté, monté dans l'échangeur 17, et passe par un conduit 20 en direction du compres-
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seur 9, qui le comprime de nouveau à une pression plus élevée.
Les gaz de combustion sous pression sortant de l'étage à haute température 3 arrivent par un conduit 21 e.t lili échangeur de chaleur 22 dans une turbine à gaz 23 qui actionne un compresseur 24 aspirant de l'air frais, ainsi qu'une génératrice 25. Le compresseur 24 refoule de l'air frais comprimé dans le conduit 6 précité et raccordé au brûleur 4, et cetair reçoit dans l'échangeur 22 de la chaleur des gaz de combustion provenant de l'étage à haute température 3.
' Pour qu'il soit possible de se rendre compte des condi- tions de tempéra-cure en différents points de l'installation therni- que décrite, il y a lieu de préciser que la tempéra bure de l'air sortant de l'étage à température modérée 1 est d'environ 550 C, tandis que la température des tubes du dispositif de che ffage 2 de cet étage est à peu près de 600-650 C. Des conditions similaires se présentent dans l'étage à température modérée 10. A la sortie des dispositifs de chauffage 7 et 12 de l'étage à haute température 3, la température de l'air est à peu près de 650 à 700 C, tandis que la température des tubes de ces dispositifs estde 700 à 750 C environ.
Or, pour les pressions intérieures utilisées de 30 à 60 atm.abs., une température de 600 à 650 C des tubes se maintient juste à la limite à laquelle on peut encoreutiliser des tubes échauffeurs non faits en matières de haute résistance à chaud et d'un prix élevé correspondant.
On peut également appliquer l'invention aux installa- tions ne comportant aucun chauffage intermédiaire du fluide de travail entre les étages de détente.
Si l'installation comporte plusieurs dispositifs de chauffage dans lesquels le fluide de travail est chauffé indirecte- ment tout d'abord à Une température relativement basse, chacun de
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ces dispositifs peut être équipé d'une chambre de combustion, mais plusieurs de ces dispositifs 'ou tous, peuvent également être montés dans une chambre de combustion commune. Dans cette ou ces chambres de combustion doit alors régner une pression égale à la pression atmosphérique par example.
Les mêmes possibilités d'application de présentent lorsqu'on dispose de plusieurs dispositifs de chauffage dans lesquels le fluide de travail doit recevoir un apport indirect de chaleur extérieure à une température plus haute, sauf que la pression régnant à l'intérieur de la ou les chambres de combustion doit alors être supérieure à la pression atmosphérique.
Les gaz de combustion sortant des différentes chambres de combustion peuvent être utilisés, d'une manière connue en soi, pour le chauffage préalable du combustible et (ou) de l'air de combustion et de fluides similaires. Les gaz sortant de la chambre de combustion à pression élevée peuvent également être introduits dans les chambres de combustion des étages à température modérée, pour être mélangés aux fumées, ceci par exemple en vue de la réduc- -tion de la température de combustion.
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