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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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