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CYCLE DE FONCTIONNEMENT D'UNE INSTALLATION DE FORCE MOTRICE THERMIQUE.
L'invention concerne un cycle de fonctionnement d'une installation de force motrice thermique suivant le brevet principal.
Elle consiste à appliquer un fluide moteur, dont la température critique est au moins de 260 Kelvin et au plus 620 Kelvin., on choisit la nature de ce fluide et on accomplit le cycle de façon à faire coincider une partie au moins de la période pendant laquelle la quantité de chaleur à soustraire définitivement au fluide moteur pendant son cycle lui est soustraite, et pendant laquelle il se comprime et reçoit au moins la première partie de la quantité de chaleur qui doit lui être cédée, au. moins lorsque la puissance débitée est normale,.avec celle pendant laquelle.
l'état du fluide moteur est compris dans un intervalle contenant le point critique et .dans, lequel les températures Kelvin sont égales au moins à 0,95 fois et au plus à 11, fois la température critique et sont inférieu- res à la température maximum du cycle, et dans lequel les pressions absolues sont égales au moins à la pression de vaporisation correspondant à 0,95 fois la température critique et au plus à 10 fois la pression critique.
Il convient de donner à la pression absolue intermédiaire à laquelle le fluide moteur subit une compression intermédiaire au moins en un étage, une valeur au moins double de celle de la pression absolue in- férieure du cycle.
Sur le dessin ci-joint, qui représente des exemples de réali-
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sation du cycle suivant l'invention et en même temps a pour but de la rendre plus facile à comprendre :
La figure 1, semblable à la figure 1 du brevet principal, re- présente sous forme schématique une installation qui fonctionne suivant le cycle de l'invention avec compression intermédiaire à un étage; la figure 2 représente le diagramme d'entropie en fonction de la température dy cycle suivant l'invention.
Dans l'installation de la figure 1, le fluide moteur se dé- tend suivant le cycle de la figure 2 à partir de l'état 13, c'est-à-dire à partir de la haute pression et de la température maximum du cycle, en fournissant du travail dans la turbine 1, suivant la courbe 13-14. Il subit une soustraction de chaleur suivant l'isobare 14-15-16 de la basse pression du cycle, la première quantité de chaleur lui étant soustraite suivant la courbe 14-15 dans l'échangeur de chaleur 2, et la seconde. suivant la courbe 15-16 dans l'échangeur de chaleur 3.
Entre les points 16 et 17 du diagramme le fluide moteur subit une compression dans le compresseur 4 à la pression intermédiaire, dont l'isobare est représen- tée par la courbe 17-18-19-20, et suivant laquelle il subit une nouvelle soustraction de chaleur, c'est-à-dire de la troisième quantité de chaleur suivant la courbe 17-18 dans l'échangeur de chaleur 5, tandis qu'il cède de la chaleur au fluide de refroidissement dans le réfrigérant 6 entre les points 18 et 20 et en passant par le point 19. Entre les points 20 et 21 le fluide moteur subit une nouvelle compression dans le compresseur, par exemple dans la pompe 7, à la haute pression du cycle, dont l'isobare est représentée par la courbe 21-22-23-13.
Il reçoit de la chaleur sui- vant cette isobare, c'est-à-dire entre les points 1 et 22, la'chaleur qui lui a été soustraite antérieurement suivant les courbes 15-16 et 17-18 dans les échangeurs de chaleur 3 et 5, et entre les points 22 et 23 la chaleur qui lui a été soustraite antérieurement suivant la courbe 14-15 dans l'échangeur de chaleur 2. Enfin entre les points 23 et 13 il réçoit de la chaleur d'une source extérieure. Cette quantité de chaleur peut provenir d'une source quelconque..,Par exemple sa température initiale peut provenir des températures maximum existantes, puis cette température peut être abaissée, avant ou pendant la cession de cette chaleur au flui- de moteur, à une valeur que les matériaux à envisager dans la production de la force motrice peuvent supporter.
La source de cette quantité de. chaleur peut aussi être à la température acceptable, par exemple lorsque la chaleur provient d'un autre cycle d'un fluide moteur ou d'un véhicule de chaleur à la température acceptable (par exemple du gaz naturel chaud, de l'eau chaude provenant du sol). L'apport de chaleur à un étage (cour- be 23-13) -peut aussi être remplacé, d'une manière connue, par un apport à étages multiples, de même la détente à un étage (courbe 13-14) peut être remplacée par une détente à étages multiples, en faisant suivre cha- que étage d'apport de chaleur d'un étage de détente.
Cependant, sur les figures 1 et 2, on a choisi à titre d'exemple un apport de chaleur à un étage, et à titre de source de chaleur un appareil de chauffage simple 8 chauffé par un brûleur 9, appareil qui peut être équipé avec un récupéra- teur 11 et une soufflante de tirage 10
La turbine '1,le compresseur intermédiaire 4 et le compresseur complémentaire 7, peuvent être .accouplés comme l'indique la figure 1 et la puissance en excès de la turbine 1 peut être transmise à titre de puis- sance utile à une méchine de travail 12.
On a tracé sur la figure 2 la point critique K, la courbe li- mite du côté droit 57 et la courbe limite du côté gauche 58 du fluide mo- teur choisi pour le cycle. Ainsi qu'on peut le voir, la courbe 20-21 est comprise dans la région de l'état liquide et par suite la puissance du . @
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compresseur 7 est très faible et par conséquente les pertes du compresseur, qui dans les cycles des turbines à gaz affectent en général notablement le rendement, sont également très faibles.
En outres la totalité de la chaleur qui doit être soustraite au cycle est soustraite suivant la cour- be 18-19-20 ainsi quil a déjà été dit et qu'il est indiqué par les flè- ches et par suite à peu près à la température la plus basse dont on dis- pose, c'est-à-dire à celle du fluide de refroidissement employée De plus, la totalité de la chaleur à apporter au cycle y arrive, ainsi qu'il a dé- jà été dit et quil est indiqué par les flèches suivant la courbe 23-13, c'est-à-dire dans la région de la température la plus élevée du cycle.
Cest pourquoi le cycle de la figure 2 est extrêmement avantageux, si en outre on réussit à rendre aussi faibles que possibles les pertes résul- tant de l'échange de chaleur suivant lequel la chaleur à apporter suivant la courbe 21-22-23 provient de la chaleur à soustraire suivant les cour- bes 14-15-16 et 17-18.
Soient Q la quantité de chaleur par unité de poids, SI' en- tropie, T la température Kelvino la chaleur spécifique à pression constante,dite pour abréger chaleur spécifique, on a leséquations dif- férentielles connues dQ cp @ dT et dS = dQ/T d'où il résulte dT/dS = T/cp ou en d'autres termes -. la chaleur spécifique peut être déduite dans le diagramme T/S de 1-'inclinaison de 1'isobareétant donné que cette in- clinaison est inversement proportionnelle à la chaleur spécifique et di- rectement proportionnelle à la température Kelvin.
La chaleur soustraite suivant lisobare 14-15 est restituée, comme 1?indiquent les flèches, au moyen de l'échangeur de chaleur 2 sui- vant 1'isobare 22-23 Cet échange de chaleur s'effectue avec une faible chute de température qui dépend de la transmission de la chaleur dans 1'échangeur et qui est indiquée par l'inclinaison des courbes limites en traits mixtes 14-23 et 15-220 De plus, en se basant sur les considéra- tions qui précèdent, on peut déduire de l'inclinaison des portions d'iso- bares 15-14 et 22-23 que les chaleurs spécifiques des deux composantes participant à 1?échange de chaleur, c'est-à-dire des portions du fluide moteur qui,
d'une part suivent la courbe 14-15 et d'autre part la courbe 22-23e sont suffisamment égales dans toutes les sections de l'échangeur de,chaleur 2 pour que la quantité de chaleur cédée par une des composan- tes par degré d'abaissement de la température soit sensiblement égale à celle qui est absorbée par 1'antre composante par degré d'élévation de la températureo L'échange de chaleur suivant ces portions d'isobares 14-15 et 22-23 s'effectue donc à peu près sans perte.
Mais il se modifie au- dessous des points 15 et 22 L9inclinaison de l'isobare 21-22 est ici sensiblement moindre que celle de 1'iosbare 16-15qui correspond sensible- ment aux mêmes températures et on peut déduire d'après ce qui précède que les chaleurs spécifiques sont sensiblement plus grandes suivant la courbe 21-22 que suivant la courbe 15-16.
Cet échange de chaleur ne peut donc être réalisé sans perte qu'au moyen d'une "corrction" A cet ef- fet, le fluide subit une compression Intermédiaire suivant la courbe 16-17 et les quantités de chaleur soustraites suivant la courbe 15-16 dans l'échangeur de chaleur 3 ainsi que suivant la courbe 17-18 dans 1'échan- geur de chaleur 5 sont transmises ensemble suivant la courbe 21-22 au fluide moteur qui circule en parallèle dans les échangeurs de chaleur
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3 et 5,
en choisisant le point de la compression intermédiaire 16-17 sur le diagramme T/S de façon que la somme des quantités de chaleur soustrai- tes suivant les courbes 15-16 et 17-18 soit égale à la quantité de chaleur à apporter suivant la courbe 21-22. Outre cette "correction globale" on peut encore tenir compte par une "correction de détail" du fait qu'ainsi qu'on peut le déduire de la variation d'inclinaison de la courbe 21-22 les chaleurs spécifiques commencent par' augmenter d'une manière constante à partir du point 21, atteignent leur maximum à peu près au-dessus du point critique K, puis diminuent de nouveau vers le point 22.
Cette "correction de détail" est décrite dans le brevet principal avec les fi- gures 3 et 4 dé ce'brevet à l'appuie
Il est important pour effectuer ces "corrections" de l'échan- ge de chaleur de choisir la nature du fluide moteur et d'aménager le cy- cle de façon à faire passer la portion d'isobare 21-22 au-dessus ou à la rigueur (avec formation d'une courbe isotherme de vaporisation) légère- ment au-dessous du point critique Ko En effet, si la'courbe 21-22 pas- sait plus bas,elle contiendrait une isotherme de vaporisation relative- ment longue et par suite la composante absorbante de la chaleur suivant' cette courbe recevrait une portion relativement grande de la quantité de chaleur pour une chaleur spécifique infinie, tandis que la composante qui cède de la chaleur,
par exemple suivant les courbes 15-16 et 17-18, se- rait à l'état gazeux et par suite sa chaleur spécifique serait finieo Mais un échange de chaleur de cette nature ne peut être corrigé que théo- riquement, au moyen d'une compression à nombre d'étages infini de la com- posante gazeuse et d'un nombre également infini de soustractions inter- médiaires de chaleur, mais cette correction n'est pas réalisable dans la pratique. En effet, les machines et appareils à un très grand nombre d'étages nécessaires à sa réalisation dans la pratique non seulement sont coûteux, volumineux et compliqués, mais encore donnent lieu à des pertes supplémentaires qui à partir d'un certain nombre d'étages deviennent si considérables qu'elles réduisent à néant l'amélioration envisagée ou même font plus que la compenser.
A ce propos, ainsi que dans le but de réaliser le cycle dans les conditions les plus. avantageuses et applicables dans la pratique, et surtout de le faire fonctionner à des pressions pratiquement réalisables, de diminuer la puissance des compresseurs, de faire correspondre la for- me de la courbe 18-20 à la nature et aux propriétés du fluide de refroi- dissement employé (par exemple de fluides de refroidissement qui, comme on le suppose sur la figure 2, permettent de réaliser une soustraction de chaleur pratiquement isotherme , qui comme dans le cas par exemple d'un fluide moteur provenant d'un autre cycle, ne permettent pas d'obtenir une soustraction de chaleur isotherme), il y a lieu d'appliquer un fluide mo- teur, dont la température critique est au moins de 260 Kelvin et au plus de 6200 Kelvin,
on choisit la nature de ce fluide et on accomplit le cy- cle de façon à faire coïncider une partie au moins de la période pendant laquelle la quantité de chaleur à soustraire définitivement au fluide moteur pendant son cycle lui est soustraite, et pendant laquelle il se comprime et reçoit au moins la première partie de la quantité de chaleur qui doit lui être cédée, au moins lorsque la puissance débitée est norma- le, avec celle pendant laquelle l'état du fluide moteur est compris dans un intervalle contenant le point critique et dans lequel les températures Kelvin sont égales au moins à 0,95 fois et au plus à 1,1 fois la tempéra- ture critique et sont inférieures à la température maximum du cycle, et dans lequel les pressions absolues sont égales au moins à la pression de vaporisation correspondant à 0,
95 fois la température critique et au plus à 10 fois la pression critiqueo
Pour rendre ces prescriptions plus faciles à comprendre, on a indiqué par des hachures sur la figure 2, la zone des changements d'état
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OPERATING CYCLE OF A THERMAL DRIVE FORCE INSTALLATION.
The invention relates to an operating cycle of a thermal motive force installation according to the main patent.
It consists in applying a driving fluid, the critical temperature of which is at least 260 Kelvin and at most 620 Kelvin., The nature of this fluid is chosen and the cycle is carried out so as to coincide at least part of the period during which the quantity of heat to be permanently withdrawn from the motor fluid during its cycle is subtracted from it, and during which it is compressed and receives at least the first part of the quantity of heat which must be given to it, at. less when the power output is normal, .with that during which.
the state of the working fluid is included in an interval containing the critical point and .in which the Kelvin temperatures are equal to at least 0.95 times and at most 11 times the critical temperature and are below the temperature maximum of the cycle, and in which the absolute pressures are at least equal to the vaporization pressure corresponding to 0.95 times the critical temperature and at most 10 times the critical pressure.
The intermediate absolute pressure at which the working fluid undergoes intermediate compression at least in one stage should be given a value at least double that of the lower absolute pressure of the cycle.
In the attached drawing, which shows examples of reali-
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The purpose of the cycle according to the invention and at the same time is to make it easier to understand:
Figure 1, similar to Figure 1 of the main patent, shows in schematic form an installation which operates according to the cycle of the invention with intermediate compression at one stage; FIG. 2 represents the entropy diagram as a function of the dy cycle temperature according to the invention.
In the installation of figure 1, the driving fluid expands according to the cycle of figure 2 from state 13, that is to say from the high pressure and the maximum temperature of the cycle, providing work in the turbine 1, following the curve 13-14. It undergoes a heat subtraction according to the isobar 14-15-16 of the low pressure of the cycle, the first quantity of heat being subtracted from it according to the curve 14-15 in the heat exchanger 2, and the second. following curve 15-16 in the heat exchanger 3.
Between points 16 and 17 of the diagram, the working fluid undergoes compression in the compressor 4 at the intermediate pressure, the isobar of which is represented by the curve 17-18-19-20, and following which it undergoes a new subtraction heat, i.e. the third quantity of heat along curve 17-18 in heat exchanger 5, while it transfers heat to the coolant in refrigerant 6 between points 18 and 20 and passing through point 19. Between points 20 and 21 the working fluid undergoes a new compression in the compressor, for example in the pump 7, at the high pressure of the cycle, the isobar of which is represented by the curve 21-22-23-13.
It receives heat following this isobar, that is to say between points 1 and 22, the heat which was previously subtracted from it according to curves 15-16 and 17-18 in the heat exchangers 3 and 5, and between points 22 and 23 the heat which was previously subtracted from it along the curve 14-15 in the heat exchanger 2. Finally, between points 23 and 13, it receives heat from an external source. This quantity of heat can come from any source .., For example its initial temperature can come from the existing maximum temperatures, then this temperature can be lowered, before or during the transfer of this heat to the engine fluid, to a value. that the materials to be considered in the production of the motive power can withstand.
The source of this amount of. heat can also be at the acceptable temperature, for example when the heat comes from another cycle of a working fluid or from a heat vehicle at the acceptable temperature (for example hot natural gas, hot water from of the ground). One-stage heat input (curve 23-13) - can also be replaced, in a known manner, by multi-stage heat input, similarly one-stage expansion (curve 13-14) can be replaced. replaced by a multi-stage expansion, by following each heat input stage with an expansion stage.
However, in FIGS. 1 and 2, a single-stage heat supply has been chosen as an example, and as a heat source a simple heating device 8 heated by a burner 9, which device can be equipped with a recuperator 11 and a draft blower 10
The turbine 1, the intermediate compressor 4 and the additional compressor 7, can be coupled as shown in figure 1 and the excess power of the turbine 1 can be transmitted as useful power to a working machine. 12.
The critical point K, the limit curve on the right side 57 and the limit curve on the left side 58 of the driving fluid chosen for the cycle have been plotted in FIG. As can be seen, the curve 20-21 is included in the region of the liquid state and hence the power of. @
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compressor 7 is very low and consequently the losses of the compressor, which in the cycles of gas turbines in general affect the efficiency in general, are also very low.
In addition, the totality of the heat which must be subtracted from the cycle is subtracted following the curve 18-19-20 as it has already been said and that it is indicated by the arrows and consequently roughly at the lowest temperature available, that is to say that of the coolant used. In addition, all of the heat to be supplied to the cycle arrives there, as has already been said and that it is indicated by the arrows following the curve 23-13, that is, in the region of the highest temperature of the cycle.
This is why the cycle of figure 2 is extremely advantageous, if in addition one succeeds in making as low as possible the losses resulting from the heat exchange according to which the heat to be supplied according to the curve 21-22-23 comes from the heat to be subtracted along curves 14-15-16 and 17-18.
Let Q be the quantity of heat per unit of weight, SI 'entropy, T the Kelvino temperature the specific heat at constant pressure, called for short specific heat, we have the known differential equations dQ cp @ dT and dS = dQ / T from which it follows dT / dS = T / cp or in other words -. the specific heat can be deduced in the T / S diagram from the inclination of the isobaric since this inclination is inversely proportional to the specific heat and directly proportional to the Kelvin temperature.
The heat subtracted according to isobar 14-15 is restored, as indicated by the arrows, by means of the heat exchanger 2 following isobar 22-23. This heat exchange takes place with a low temperature drop which depends on the heat transfer in the exchanger and which is indicated by the inclination of the dashed line limit curves 14-23 and 15-220 In addition, based on the foregoing considerations, it can be deduced from the inclination of the portions of isobars 15-14 and 22-23 as the specific heats of the two components participating in the heat exchange, that is to say of the portions of the working fluid which,
on the one hand following the curve 14-15 and on the other hand the curve 22-23e are sufficiently equal in all the sections of the heat exchanger 2 so that the quantity of heat released by one of the components per degree decrease in temperature is substantially equal to that absorbed by the other component per degree of temperature rise o The heat exchange along these portions of isobars 14-15 and 22-23 is therefore carried out at almost lossless.
But it changes below points 15 and 22 The inclination of isobar 21-22 is here appreciably less than that of iosbare 16-15 which corresponds substantially to the same temperatures and one can deduce from the above that the specific heats are appreciably greater along the curve 21-22 than along the curve 15-16.
This heat exchange can therefore only be carried out without loss by means of a "correction". To this end, the fluid undergoes an Intermediate compression according to curve 16-17 and the quantities of heat subtracted according to curve 15- 16 in the heat exchanger 3 as well as along the curve 17-18 in the heat exchanger 5 are transmitted together along the curve 21-22 to the working fluid which circulates in parallel in the heat exchangers
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3 and 5,
by choosing the point of intermediate compression 16-17 on the T / S diagram so that the sum of the quantities of heat subtracted according to the curves 15-16 and 17-18 is equal to the quantity of heat to be supplied according to the curve 21-22. Besides this "global correction" we can also take into account by a "detail correction" the fact that so that it can be deduced from the variation of inclination of the curve 21-22 the specific heats start by 'increasing by' steadily from point 21, reach their maximum approximately above critical point K, then decrease again towards point 22.
This "detail correction" is described in the main patent with Figures 3 and 4 of the patent on the backing.
It is important to make these "corrections" of the heat exchange to choose the nature of the working fluid and to arrange the cycle so as to pass the portion of isobar 21-22 above or below. the severity (with formation of an isothermal vaporization curve) slightly below the critical point Ko Indeed, if the 21-22 curve were to pass lower, it would contain a relatively long vaporization isotherm and hence the heat absorbing component following this curve would receive a relatively large portion of the heat quantity for infinite specific heat, while the heat yielding component,
for example following curves 15-16 and 17-18, would be in the gaseous state and consequently its specific heat would be finiteo But a heat exchange of this nature can only be corrected theoretically, by means of compression at an infinite number of stages of the gas component and of an equally infinite number of intermediate heat subtractions, but this correction is not practicable. Indeed, the machines and apparatus with a very large number of stages necessary for its realization in practice are not only expensive, bulky and complicated, but also give rise to additional losses which from a certain number of stages become so significant that they negate or even more than offset the intended improvement.
About this, as well as in order to carry out the cycle under the most conditions. advantageous and applicable in practice, and above all to operate it at practically achievable pressures, to reduce the power of the compressors, to match the shape of the curve 18-20 to the nature and properties of the cooling fluid. dement employed (for example of cooling fluids which, as assumed in FIG. 2, make it possible to achieve a practically isothermal heat subtraction, which as in the case for example of a motor fluid coming from another cycle, does not not allow to obtain an isothermal heat subtraction), it is necessary to apply a driving fluid, whose critical temperature is at least 260 Kelvin and at most 6200 Kelvin,
the nature of this fluid is chosen and the cycle is carried out so as to coincide at least part of the period during which the quantity of heat to be definitively withdrawn from the motor fluid during its cycle is subtracted from it, and during which it is compresses and receives at least the first part of the quantity of heat which must be transferred to it, at least when the power output is normal, with that during which the state of the working fluid is included in an interval containing the critical point and wherein the Kelvin temperatures are at least 0.95 times and at most 1.1 times the critical temperature and are less than the maximum cycle temperature, and wherein the absolute pressures are at least equal to the pressure vaporization corresponding to 0,
95 times the critical temperature and at most 10 times the critical pressure
To make these prescriptions easier to understand, we have indicated by hatching in figure 2, the zone of changes of state
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