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Système générateur à combustion interne à haut rendement thermique pour la production d'énergie
Dans les systèmes connus, la vapeur est obtenue par combus- tion, dans des foyers (multitubulaires ou autres) de chaudière, d'huile ou de divers combustibles, notamment,de gaz. Ce mode de production de vapeur présente les inconvénients d'un rendement thermique relativement faible vu la déperdition de la chaleur sensible des gaz brûlés, d'un rendement à la vaporisation relativement faible vu la transmission, limitée, des surfaces de chauffe, e même en cas de combustion sous pression, de la perte de matière des gaz brûles qui sont évacués.
D'après la présente invention les pertes énumérées ci- dessus sont supprimées, y compris, dans certaines applications, la dernière.
D'autre part, la turbine, comme la machine à vapeur, jus- qu'à ce jour ne fonctionne que dans un intervalle de tempéra- ture restreint, du fait de l'impossibilité pratique de réaliser des températures de surchauffe très élevées. La turbine à gaz
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brûlés ("turbine à gaz") présente par contre l'inconvénient inverse, à savoir, des températures de combustion élevées au point d'être incompatibles avec les propriétés mécaniques des matériaux, notamment des aubages des turbines ;
abaisser ces températures de combustion élevées on est amené à brûler le combustible avec un excédent d'air considérable, d'où perte d'énergie calorifique avec les gaz d'échappement et dépense d'énergie considérable à la compression du comburant, que ce soit par excédent d'air ou par recyclage de gaz brûlés. Les remèdes partiels apportés à ce jour à ces inconvénients, tels que la combustion étagée à des paliers de détente successifs, les récupérations de chaleur des gaz brûlés d'échappement, etc., n'ont que partiellement corrigé ces inconvénients de la turbine à gaz au point de vue de son rendement thermique et de la consommation d'énergie de compression.
.D'après la présente invention les avantages de la turbine ou de la machine à vapeur au point de vue de l'utilisation maximum de l'énergie thermique de la vapeur dans la zone fin- férieure des températures du cycle, sont combinés avec les avan- tages de la turbine à gaz au point de vue des températures élevées du mélange soumis à détente; d'autre part les inconvé- nients thermodynamiques inhérents à la machine ou à la turbine à vapeur, à savoir laelativement basse température initiale de la vapeur, et ceux de la turbine à gaz, à savoir les pertes dues à la combustion avec excédent d'air et à l'évacuation des gaz brûlés à des températures intermédiaires, ainsi que la forte consommation d'énergie de compression,sont supprimés.
Le système conformément à la présente invention consiste à effectuer la vaporisation par combustion interne, sous pression, de gaz ou d'un combustible liquide, avec de l'oxygène industriel ou avec un comburant riche en oxygène ou avec de l'air, à uti- la vapeur liser la vapeur mixte, c.à.d. mélangée aux gaz brûlés, dans
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une turbine en vue de la production d'énergie, et à condenser la vapeur sous vide ; à la soutirer à la turbine sous faible /ou les gaz permanents seuls après condensation de la vapeur sous vide pression et à utiliser le mélangeomme constituant endothermi- que dans la gazéification, notamment dans la gazéification sou- terraine.
Le processus peut être arrêté à l'un ou à l'autre des stades ci-dessus, suivant que l'on veut produire de la vapeur, ou de l'énergie, ou effectuer la gazéification, dans des gazo- gènes ou in situ.
La combustion "submergée" est un procédé connu ; est appliquée notamment en vue du chauffage ou de l'évaporation de liquides et de solutions. Ses avantages consistent en un rende- ment thermique élevé, du fait de la suppression de la perte due à l'évacuation, à une température plus ou moins élevée suivant le degré de transmission de la chaleur, des gaz brûlés. Dans la plupart des appareils de vaporisation en effet le rendement de la transmission de la chaleur des gaz brûlés au liquide à chauf- fer ou à vaporiser est inférieur à 80 et même à 70 %.
En combus- tion submergée ce rendement peut se rapprocher de 100 %, les seules pertes étant celles dues au rayonnement des parois des appareils et à la convection le long de ces parois, et celle due à la faible différence de température entre les gaz brûlés et le liquide. Là où la combustion submergée est utilisée en vue de l'évaporation de liquides, elle présente encore l'avantage sup- plémentaire que les gaz brûlés évacués sont pratiquement saturés, ce qui a pour effet d'abaisser notamment le point d'ébullition du liquide ou de la solution.
La combustion submergée présente d'autre part l'inconvé- nient, pour certaines applications, que les gaz brûlés et la va- peur sont nécessairement mélangés et ne peuvent être séparés en vue d'utilisations séparées.
D'après la présente invention la combustion interne et utilisée en vue de laroduction de vapeur mixte à la pression désirée, cette vapeur pouvant être surchauffée également par
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combustion interne et détendue dans une turbine en vue de la production d'énergie; le système proposé d'après l'invention mais non obligatoirement, se combine notamment avantageusementvec la gazéification des combustibles, notamment avec la gazéification souterraine.
Il est clair que si la combustion interne du gaz combus- tible ne produisait pas de gaz brûles incondensables, le mé- lange de vapeurs produit consisterait en vapeur seulement, par exemple dans le cas de la vaporisation d'eau. Si d'autre part la combustion est effectuée sous pression, le gaz comme le comburant étant comprimés et alimentés dans cet état à un brûleur fonctionnant sous pression, à savoir, essentiellement sous la pression du générateur de vapeur, il est clair que l'on produira de la vapeur "pure" sous la pression voulue.
C'est précisément ce qui est l'un des objets de la présente invention,dans ce cas particulier.
Si en effet le gaz combustible est de l'hydrogène, et le comburant de l'oxygène, et si d'autre part la combustion est réglée de façon à être neutre, c'est-à-dire qu'il n'y ait excédent ni de gaz combustible ni de comburant, la vapeur pro- duite sera théoriquement "pure", la combustion de l'hydrogène par l'oxygène ne donnant elle-même que de la vapeur d'eau.
La combustion sous pression d'autre part est réalisée par l'emploi de brûleurs sous pression, le gaz comburant et le gaz carburant étant comprimés séparément à la pression voulue.
Il n'est d'ailleurs pas nécessaire, pour réaliser en pra- tique la vaporisation par combustion interne tout en produisant de la vapeur essentiellement "pure", que les gaz utilisés soient de l'hydrogène et de l'oxygène purs, ni que la combustion soit réglée de façon à être exactement neutre. L'hydrogène industriel obtenu par les procédés connus de conversion catalytique des gaz de gazéification suivis du lavage sous pression en vue de l'élimination essentielle de l'acide carbonique d'une part, et
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l'oxygène industriel à teneur suffisamment élevée en oxygène (soit par exemple plus de 95 % ) permettent la production de vapeur essentiellement "pure" pouvant être utilisée dans des turbines et dans des machines à vapeur.
La présence d'une pro- portion de gaz non condensables peut être compensée par un di- mensionnement plus large des condenseurs, tant des condenseurs à injection quedes condenseurs à surface, et des pompes à vidé.
Quand il est mentionné ci-dessus de la vapeur "pure' il est entendu de la vapeur essentiellement sans gaz non conden- sables'. La pureté chimique n'est pas entendue ici. Il est en effet évident qu'à moins que le gaz combustible n'ait été par- faitement désulfuré et purifié, la vapeur contiendra de l'an- hydride sulfureux et de l'anhydride sulfurique qui peuvent causer des corrosions aux endroits où il y aurait condensation de vapeur. Il en est d'ailleurs de même dans les turbines "à gaz", c'est-à-dire dans les turbines à gaz brûlés; dans le circuit "turbine à gaz" toutefois le point de rosée n'est pas atteint en marche continue.
Il sera d'ailleurs éventuellement possible de combattre l'inconvénient de la corrosion par divers moyens connus, tels que l'épuration poussée du gaz comportant éventuellement l'éli- mination des composés sulfurés organiques, l'alcalinisation de l'eau d'alimentation du générateur, les purges, l'emploi d'aciers inoxydables, etc. Ces moyens connus n'entrent pas dans l'objet de la présente invention.
La présente invention n'est toutefois pas limitée à la production de vapeur essentiellement sans gaz incondensables.
L'exigence d'une vapeur essentiellement sans incondensables dérive de la technique de la chaudière à vapeur et de la machine à vapeur. Cette technique est actuellement dépassée par celle de la turbine "à gaz". Or, la turbine à gaz n'utilise essentielle-
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ment que des gaz incondensables. Il n'y a donc plus d'incon- vénient à produire une vapeur contenant des proportions non négligeables d'incondensables. C'est un des objets de la présente invention, qui combine les avantages de la turbine à gaz et de la turbine à vapeur.
Les inconvéniets de la turbine "à gaz" sont en effet plu- sieurs : les températures élevées de flamme étant incompatibles avec la bonne tenue des aubages on est amené à effectuer la combus- tion soit avec un grand excédent d'air, soit avec un grand ex- cédent de gaz brûlés, soit à effectuer la combustion par étages, de nouvelles quantités de gaz ou d'huile étant brûlées sous pression dans les gaz brûlés déjà partiellement détendus pro- venant d'un étage de combustion antérieur, gaz brûlés qui con- tiennent encore de l'oxygène;
la complication de l'appareillage s'oppose jusqu'à présent à la multiplication des étages de com- bustion qui, même si elle réalisait la combustion sans excédent d'air, ne réaliserait pas encore le rendement optimum, vu que les introductions étagées de gaz ou d'huile combustible se font forcément à des étages de pressions décroissantes. D'autre part, les gaz brûlés, contenant un grand excédent d'air ou d'inertes, sont évacués à température élevée ; température ne peut être abaissée dans certaines limites que par l'emploi d'un appa- reillage volumineux et coûteux comportant des échangeurs, des récupérateurs, etc. Il résulte de ce qui précède que, malgré un appareillage compliqué et coûteux, le rendement thermique de la turbine "à gaz" reste nécessairement inférieur.
Ces inconvénients sont supprimés par la présente invention, qui d'autre part permet de réaliser des rendements thermiques plus élevés que la turbine à vapeur et que la turbine à gaz actuelles, tout en comportant des installations notablement moins importantes que le système générateur de vapeur - turbine à vapeur,
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d'une part, et que la turbine à gaz d'autre part.
Cet effet est obtenu comme suit:
Un gaz (avec ou sans constituants non combustibles) ou une huile combustible est brûlé sous pression à l'aide d'un combu- rant, oxygène industriel, ou comburant riche en oxygène, ou air.
La flamme est submergée, ou bien les produits de la combustion sont forcés de traverser l'eau contenue dans le générateur sous pression, ou bien ils sont mis en contact direct avec l'eau pulvérisée. Dans le cas de l'emploi de gaz riche et/ou de com- burant plus riche que l'air, tel que l'oxygène industriel, la température de la flamme est abaissée par recyclage d'une frac- tion de la vapeur mixte produite ; recyclage n'absorbe qu'une petite quantité d'énergie, vu la faible différence de pression entre le brûleur et le générateur.
Le mélange de vapeur et de gaz brûlés, produits à la pression voulue, est surchauffé par combustion interne sous pression à l'aide d'une nouvelle quan- tité de gaz et de comburant, et celà jusqu'à la température la plus élevée compatible avec la bonne tenue de l'appareillage, notamment des aubages de la turbine. Cette surchauffe interne peut être répétée une ou plusieurs fois à des étages de détente successifs. Le rendement thermique de ces surchauffes internes voisin initiales et successives est de 100 % . Le préchauffage de l'eau par la vapeur de soutirage ou par échange est applicable comme dans le cas de la turbine à vapeur.
Si la turbine est à contre- pression, on soutire un mélange de vapeur et de gaz non condensables ; cette vapeur mixte est utilisable dans des appa- reils à condensation munis de dispositifs de dégazage adéquats; elle a d'autre part son emploi avantageux en gazéification, les gaz brûlés jouant exactement le même rôle que la vapeur, rôle qui est de fournir, par réaction endothermique, du gaz combustible, que ce soit en gazéification continue, par l'air ou par l'oxygène, ou en gazéification discontinue (gaz à l'eau).*Une des combinai- sons avantageuses du système suivant l'invention est donc rela- Les gaz incondensables (C02) extraits par le pompe à vide peuvent d'ailleurs être utilisés dans le même but.
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tive à des centrales qui feraient partie d'un complexe gazéi- fication, souterraine ou au jour - production d'énergie élec- trique - production de gaz pour transport à distance.
Dans le cas de la turbine à condensation il est tenu compte de la présence de gaz non condensables et de l'anhydri- de sulfureux (ce dernier sauf en cas d'une épuration poussée du gaz). Les condenseurs, qu'ils soient à injection ou à sur- face, seront plus volumineux, de même que les pompes à vide seront plus puissantes. Le cas échéant des aciers inoxydables devront être mis en oeuvre dans la construction des condenseurs.
Au lieu que la surchauffe interne de la vapeur soit ef- fectuée à l'aide d'un brûleur séparé, il est possible de dé- river une partie des gaz brûlés du brûleur principal, submergé ou non, et de les réintroduire dans le circuit de la vapeur mixte en aval du générateur. Dans le cas de la vaporisation 'Instantanée" d'autre part, la température de surchauffe est établie au niveau voulu par le réglage de l'alimentation en ,de vaporisation eau par rapport au débit du. brûleurs, ou inversement. ou des
La vaporisation "instantanée" peut être réalisée par in- jection ou pulvérisation de l'eau dans les gaz brûlés;
dans ce cas la pression initiale peut être poussée jusqu'au point critique (224.24 Kg de pression partielle de l'eau) et au-delà, le rendement thermique du système générateur-turbine devenant alors particulièrement élevé, surtout si la surchauffe est répétée plusieurs fois, à des étages de détente successifs, jusqu'à la température maximum pratique permise par la résis- tance du matériel, la condensation ayant lieu sous vide ..
Il ressort de ce qui précède que le système qui fait l'objet de l'invention réalise le rendement thermique à la vaporisation et le rendement thermodynamique à la production d'énergie mécanique les plus élevés, pour les raisons sui- vantes :
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1) du fait de la combustion interne, le rendement à la vaporisa- tion, comme celui des surchauffes, est un maximum, approchant de 100 %; 2) du fait du réglage essentiellement neutre de la combustion, le rendement du système combiné générateur-turbine est un maximum;
3) la température initiale de la vapeur avant sa détente dans la turbine est réglée à volonté au maximum permis par l'appareil- lage, notamment par les aubages, comme dans la turbine à gaz, ce qui n'est pas le cas pour les turbines à vapeur, où la surchauffe est réalisée actuellement par chauffage-échange externe, et où la température de surchauffe est limitée à un ni- veau inférieur; la surchauffe interne peut d'autre part être répétée une ou plusieurs fois à des étages de pression décrois- sants, et cela par les mêmes moyens ; 4) la condensation sous vide est applicable; 5) l'énergie de compression du comburant est très faible compara- tivement à la turbine à gaz, où, pour abaisser la température de combustion, il faut comprimer un grand excédent de comburant (air) ou de gaz brûlés recyclés ;
dans le système suivant la présente invention par contre on ne comprime que la quantité de comburant théoriquement nécessaire pour la combustion du carbu- rant, la température de combustion étant abaissée au niveau voulu compatible avec la bonne tenue des aubages, par recyclage d'une partie de la vapeur mixte produite, ce recyclage ne con- sommant qu'une énergie négligeable, vu qu'il a lieu sous une très faible différence de pression;
6) la combustion de la totalité du carburant a lieu au niveau de pression initial le plus élevé, par opposition à la turbine à gaz où, pour utiliser autant que possible le comburant en excédent, on est amènera brûler le carburant par fractions à des étages de pression décroissants, d'où diminution du ren-
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thermodynamique dément thermique moyen, la multiplication des étages de com- bustion se heurtant d'ailleurs à la complication croissante d'après la présente invention, de l'appareillage; cependantdes appoints de couburant peuvent être brûlés pour effectuer les surchauffes internes étagées à des pressions décroissantes;
7) Le système d'après la présente invention n'étant pas limité par la température de combustion, qui est abaissée à volonté par recyclage de la vapeur mixte, permet l'emploi de carburants riches, huiles combustibles et gaz riches, et de comburants riches en oxygène, jusqu'à l'oxygène industriel à hautes teneurs en oxygène produits par exemple à l'aide des procédés récents (Linde-Frankl) à faible consommation d'énergie; tout ceci par opposition à la turbine à gaz ; Par l'emploi d'un comburant riche en oxygène 8) le volume d'inertes incondensables est reduit à pratiquement zéro ou une petite quantité; ces inertes sont d'autre part refroidis à basse température par la détente dans la turbine, et évacués par la pompe à vide ;
que dans la turbine à gaz la totalité des gaz alimentés à la turbine, et qui con- tiennent une proportion excédentaire d'inertes très élevée, est évacuée à une température relativement élevée, même en cas de récupération par échange.
Il résulte de ce qui précède que le présent système de géné- ration de vapeur et de production d'énergie combine les avantages de la combustion submergée ou interne, de la turbine à vapeur, et de la turbine à gaz, et élimine les désavantages des générateurs de vapeur connus, de la basse température de surchauffe de la vapeur réalisable actuellement, et des pertes thermodynamiques inhérentes à la turbine à gaz.
Dans le cas du soutirage en vue de la gazéification, notam- ment de la gazéification souterraine, la vapeur mixte soutirée est intégralement retransformée en gaz combustible, y compris les incondensables, à savoir l'acide carbonique (à l'exclusion de l'azote bien entendu).
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Le système est évidemment d'autant plus avantageux que ou une huile, l'on peut utiliser un gaz contenant moins d'azote,et un "air" plus riche en oxygène, ou de l'oxygène industriel ; en effet, combustible d'une part, l'énergie nécessaire pour la compression du gaz et du comburant d'autre part, sera moindre; la condensation après détente sera moins coûteuse en appareillage et en énergie pour la pompe à vide ; cas de soutirage à la turbine, la vapeur sera mieux utilisable pour des buts divers, notamment pour le préchauffage de l'eau d'ali- mentation, contenant moins de gaz permanents. Si la vapeur de soutirage est utilisée pour la gazéification, le gaz sera plus riche, parce que plus pauvre enazote.
Si l'on considère que la combustion d'un gaz de gazéifica- tion à 3.000 Kcals nécessite, par mètre cube, 1/2 m3 d'oxygène, et que de l'oxygène industriel à 70 % de 02 coûte environ un tiers de kwh par m3 de 02, on voit que le comburant coûte, par 3. 000 Kcals d'énergie thermique, environ 1/6 kwh. Cette con- sommation d'énergie représente moins que l'énergie de compres- sion de l'air dans le cas de la combustion avec l'air ; ce dernier cas en effet tout l'air devrait être comprimé à la pression du générateur, qui peut être de l'ordre d'une centaine de Kilogr. ou davantage ; que dans la combustion par l'oxygène, la même quantité d'air ne doit être comprimé, pour la production d'oxygène, qu'à environ 3 Kilogr., une faible pro- portion seulement étant comprimée à haute pression;
seul l'oxygène industriel produit, qui ne représente que 20 à 25 % du volume de l'air initial, est comprimé à la pression de marche du générateur.
L'avantage de la combustion par l'oxygène au point de vue écono- mie de l'énergie de compression du comburant sera donc d'autant plus grand que la pression initiale à la turbine sera plus élevée . Or, le rendement thermique à la génération de vapeur et de la surchauffe étant de près de 100 % par le présent système, le rendement thermodynamique de la turbine de l'ordre
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de 40 à 70 % (avec condensation, et suivant la pression et la température de surchauffe), et son rendement mécanique étant de 75 à 80 %, on-voit que, tenant compte du rendement de la géné- ratrice, un mètre cube de gaz à 3.000 kwh pourra donner 11/2 kwh à
1 3/4 Kwh ; une consommation de 1/6 de kwh pour l'oxygène n'est donc pas prohibitive.
Quant à l'énergie de compression du gaz et du comburant, elle est considérablement moindre que dans le cas de la turbine à gaz, de loin la plus grande partie (80 %) du fluide soumis à détente étant introduit dans le système sous forme d'eau d'alimentation du générateur, et la combustion ayant lieu sans excédent de comburant ni de ballast.
L'utilisation de l'oxygène aux centrales entraînerait leur l'érection d'installations d'oxygène dont la puissance -assurerait un rendement élevé. En effet, un groupe de 35.000 kw brûlerait environ 20 à 25.000 m3 de gaz à 3.000 Kcals, ou 15.000 à 18. 000 m3 de gaz à 4.000 - 4.500 Kcals, dont la combustion nécessiterait 10.000 à 15.000 m3 d'oxygène industriel à l'heure. Cette puis- sance est conforme aux unités d'oxygène construites d'après les systèmes les plus récents. Le coût de l'installation d'oxygène vient s'ajouter au coût des installations thermiques et électri- ques des bâtiments, manutentions, services généraux, etc.
Exemple:
Prenons un gaz à 3.000 Kcals de pouvoir calorifique supé- rieur, d'une composition simplifiée à 55 % de CO, 43 % de H2 et 2 % d'inertes.
Par combustion interne par l'oxygène industriel à 70 % de 02, sous 100 Kgs., ce gaz produit, par m3, 3 Kgs de vapeur à 100 Kgs. surchauffée à 800 , soit à 1000 Kcals/Kg.; les produits de la combustion sont, par m3, .78 m3 de gaz permanents (C02 et N2 dont.21 m3 d'azote provenant de l'oxygène comburant) et .43 m3 de vapeur d'eau.
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A 0 C et 760 mm. de pression les produits représentent en volume:
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<tb> 3 <SEP> Kgs. <SEP> de <SEP> vapeur <SEP> = <SEP> 3 <SEP> x <SEP> 22.4/18 <SEP> = <SEP> 3.74 <SEP> m3
<tb> 18
<tb> vapeur <SEP> de <SEP> combustion <SEP> .43 <SEP> "
<tb>
<tb> vapeur <SEP> totale <SEP> 4.17 <SEP> m3
<tb>
<tb> gaz <SEP> permanents <SEP> .78 <SEP> "
<tb>
<tb> volume <SEP> total <SEP> à <SEP> TPN <SEP> 4.95 <SEP> m3
<tb>
La composition de la vapeur mixte est donc de 84 % de vapeur et 16 % de gaz permanents. Dans le cas de la turbine à condensation, ces 16 % de gaz permanents doivent être ex- traits par la pompe à vide.
Dans le cas où l'on utiliserait comme comburant pour la interne combustion interne de l'air enrichi enoxygène, ou de l'air, la proportion de gaz permanents dans la vapeur serait plus élevée. Par contre, si le combustible est de l'huile, elle est plus basse.
Suivant un des modes de réalisation de l'invention (fig.l) l'appareillage de vaporisation comporte un générateur à com- bustion interne comportant en principe les parties suivantes:
1-1 : brûleurs internes de vaporisation
2-2 : conduits amenant les gaz brûlés au dispositif 3 de barbotage
3 : dispositif de barbotage des gaz brûlés dans l'eau du générateur 4 : chaudière
5-5 :amenées de gaz aux brûleurs internes de vaporisation
6-6 :amenées de comburant aux brûleurs
7 : compresseur du gaz
8 : compresseur du comburant
9-9 ventilateurs de recyclage de la vapeur mixte aux brûleurs 10-10: conduits amenant la vapeur mixte de recyclage aux brûleurs
11 : brûleur de surchauffe interne de la vapeur mixte
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12 : amenée de gaz au brûleur 11 13 : amenée de comburant au brûleur 11 14 :
conduit amenant la vapeur recyclée au brûleur de surchauffe interne 15 : conduit de vapeur mixte non surchauffée 16 : conduit de vapeur mixte surchauffée 17 : alimentation en eau 18 : pompe d'alimentation.
Il est entendu que le nombre de brûleurs ainsi que la disposition des organes dans la figure 1 comme dans les autres n'affectent pas la portée de l'invention, qui est relative aux principes et à la combinaison des moyens techniques, et non à tel ou tel appareil ou mode de réalisation particuliers.
Dans la figure 2 les gaz brûles, au lieu d'être soufflés dans une couronne de barbotage comme dans la figure 1, sont soufflés sous un plateau muni de cloches de barbotage, comme dans les colonnes à barbotage. La chaudière comporte un renfle- ment à sa partie supérieure, dans lequel la vitesse est abais- sée de façon à constituer séparateur de l'eau entrainée; cette eau est recueillie dans la cuvette périphérique d'où elle est réintroduite par gravité dans le fond de la chaudière à l'aide d'un tuyau de retour.
Le brûleur de surchauffe brûle directe- ment dans la conduite de vapeur, grâce à une enveloppe-écran, éventuellement munie d'un diaphragme réglable, qui assure le maintien d'une zone à température incandescente permettant le maintien de la flamme ; le diaphragme n'admettant que la quan- tité de vapeur de dilution voulue en vue de l'abaissement de la température de flamme au niveau compatible avec les matériaux.
Le brûleur est entouré d'une enveloppe alimentée en eau sous pression.
Dans la figure 3) une partie des gaz brûlés du brûleur de vaporisation sont dérivés dans la vapeur en vue de sa
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surchauffe interne; la surchauffe est réglée à l'aide d'un diaphragme (19) ou d'une vanne sur le conduit de dérivation des gaz brûlés. Le recyclage de la vapeur au brûleur est effectué à l'aide d'un injecteur (9) alimenté en vapeur sous la pression créée par le diaphragme (20).
La figure 4) représente un générateur à vaporisation totale "instantanée". L'eau est alimentée dans le circuit des gaz brûlés; un ballon séparateur sépare la vapeur de l'eau non vaporisée, qui est retournée par gravité dans le circuit des gaz brûlés, à l'aide d'une tuyauterie de retour.
La surchauffe ne nécessite pas de dispositif séparé, étant réalisée par le réglage de l'alimentation d'eau par rapport au débit calorifique du brûleur de vaporisation.
La figure 5) représente, également schématiquement, un autre mode de réalisation d'un générateur de vapeur mixte à vaporisation "instantanée", dans lequel les gaz brûlés pro- duits par le brûleur (1) sont dilués par un recyclage de vapeur mixte qui est aspirée par le brûleur lui-même agissant comme injecteur; la proportion de vapeur de dilution recyclée est réglée par la vanne (30). Le brûleur est entouré d'une chemise (31) dans laquelle est pompée l'eau d'alimentation, qui est pulvérisée dans la chaudière par des orifices (32) dont est munie la jacket d'eau. Les gazbrûlés, la vapeur mixte de recyclage, et l'eau pulvérisée circulent dans le même sens.
La distance entre le gueulard du brûleur et l'entrée (33) de la tuyauterie à vapeur mixte surchauffée (16) est telle que toute l'eau pulvérisée est vaporisée. Un déflecteur (34) et un sou- tirage en (35) de l'eau accidentellement non vaporisée sont des détails éventuels. Dans ce mode de réalisation la surchauffe est également commandée par le rapport des débits d'eau d'une part, de carburant d'autre part. Ce type de générateur permet de réaliser des pressions et des températures qui atteignent ou qui dépassent le point critique de l'eau. Un dispositif à
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chemise intérieure parcourue par la vapeur mixte peut être prévue afin d'empêcher la surchauffe locale accidentelle de l'enveloppe extérieure résistant à la pression.
Il peut être prévu plusieurs brûleurs en cascade alternant avec des étages d'injection-pulvérisation d'eau.
Le même genre de brûleurs peut être utilisé pour les surchauf- fes internes successives aux étages successifs de détente à la ou aux turbines.
Au -lieu d'effectuer la vaporisation par les gaz brûlés, on peut utiliser à cet effet la chaleur sensible de la vapeur mixte surchauffée recyclée qui est avasi partiellement ou totalement resaturée, et ensuite resurchauffer celle-ci par le brûleur interne. processus comporte alors un cycle en deux phases. Le recyclage de la vapeur saturée peut être induit par l'injection de l'eau elle-même dans un venturi, ou par un autre moyen. A l'effet de l'injecteur peut venir s'ajouter l'effet de thermosiphon dû à la différence de densité entre les deux branches, vapeur mixte sur- chauffée en circuit amendant d'une part, vapeur mixte saturée circuit descendant d'autre part. La fig.
(6) représente un pareil système, ou : 1 : brûleur interne Ibis: enveloppe protectrice de la flamme, à admission réglable de vapeur mixte de dilution de la flamme.
2 vaporisateur - saturateur 3 surchauffeur 4 injecteur - pulvérisateur de l'eau d'alimentation 5 conduit de recyclage de la vapeur mixte surchauffée 6 : vanne de réglage du recyclage 7 : conduit de la vapeur mixte surchauffée.
Ces figures n'ont d'autre but que d'illustrer les princi- pes exposés ci-dessus, et ne limitent aucunement l'invention aux modes de réalisation esquissés.
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Les avantages du système décrit sont illustrés à l'aide du diagramme température - entropie. Dans le cas le plus favo- rable où le combustible est de l'hydrogène pur et le comburant de l'oxygène pur, la combustion étant réglée au point neutre, le diagramme est identique en principe à celui de la turbine à vapeur.
La vaporisation instantanée à la pression critique et avec surchauffes étagées donne le diagramme A. D'énergie de compres- sion du gaz et du comburant est négligée, étant faible. Ce diagramme est superposé au diagramme B qui est relatif à une turbine à vapeur fonctionnant sous une pression initiale de
EMI17.1
±1Mf 100 Kgs, avec surchauffe initiale et surchauffe -externe inter- 1v111 2'la.iSCG Suivant la proportion croissante de gaz incondensables dans
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la vapeur, le diagramme devient intermédiaire entre celui de la M/! turbine à vapeur et celui de la turbine à gaz en restant tou- jours plus proche de celui de la turbine à vapeur.
Le rendement global du système générateur - turbine est égal au rendement thermodynamique d'après le diagramme, multi- plié pratiquement par 1.00 dans le cas du système décrit, contre environ .70 à .80 dans le cas du système générateur -turbine connue ceci pour tenir compte du rendement du générateur et des
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1Iv'vP surchauffes/ .(9 .
Dans l'exemple choisi comparant le système à générateur instantané fonctionnant sous la pression critique de l'eau, avec surchauffes étagées à 800 et détentes jusque 600 jus- qu'à l'isentropique de détente définitive, avec la turbine à vapeur utilisant de la vapeur à 100 Kgs produite par un géné- rateur à chauffage indirect, les rendements thermodynamiques globaux se comparent comme suit:
EMI17.4
<tb> diagramme <SEP> A: <SEP> Rendement <SEP> thermodynamique <SEP> du <SEP> cycle <SEP> .645
<tb>
<Desc/Clms Page number 18>
EMI18.1
<tb> Rendement <SEP> thermique <SEP> du <SEP> générateur
<tb> et <SEP> des <SEP> surchauffes <SEP> internes <SEP> 1.00
<tb>
<tb> Rendement <SEP> global <SEP> .645
<tb>
<tb> diagramme <SEP> B:
<SEP> Rendement <SEP> thermodynamique <SEP> .515
<tb>
<tb> Rendement <SEP> thermique <SEP> du <SEP> générateur
<tb> et <SEP> des <SEP> surchauffes <SEP> indirects <SEP> .75
<tb>
<tb> Rendement <SEP> global <SEP> .385
<tb>
Le système suivant l'exemple choisi donne donc un ren- dement global qui est de 67 % supérieur à celui de la turbine à vapeur à 100 Kgs avec générateur à chauffe indirecte. Le rendement mécanique de la turbine et le rendement de la géné- ratrice étant les mêmes dans les deux cas, on voit que par le système décrit il est possible de produire, en partant du com- bustible, notablement plus d'énergie électrique, soit 67 % , dans l'exemple choisi.
La surchauffe par combustion interne comme décrit permet commodément d'étager la surchauffe sur plusieurs paliers de détente successifs, ce dont il résulte une nouvelle augmenta- tion.du rendement, comme il est visible d'après le diagramme A.
La turbine, ou chaque corps de turbine, en tout cas le premier (haute pression) peut être prévu avec plusieurs sorties et ren- trées de la vapeur entre lesquelles sont intercalés les brûleurs de surchauffe par combustion interne.
Etant donné la pression et la température élevées sous lesquelles le générateur à combustion interne et à vaporisation instantanée est appelé à fonctionner, et l'absence totale d'aucun volant d'eau, le maintien rigoureux des températures, des alimen- tations d'eau, de combustible et de comburant doit être assuré automatiquement avec uns sécurité absolue, par un système judicieux de régulation automatique comportant, au générateur, des pyromètres et des pressiomètres commandant l'alimentationd'eu et les brûleurs, et, aux surchauffes étagées, des pyromètres commandant les brûleurs.
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Les brûleurs internes peuvent utilement être munis de disposi- tifs de sécurité électroniques.
REVENDICATIONS 1) Un système de vaporisation intensive et de production de vapeur pure ou mixte sous pression par combustion interne d'un gaz ou d'un combustible liquide à l'aide d'oxygène in- dustriel, ou d'un comburant riche en oxygène, ou d'air.