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CYCLE ET INSTALLATION DE PRODUCTION DE FORCE MOTRICE THERMIQUE.
L'invention concerne un cycle de production de force motrice thermique à l'aide d'au moins un fluide moteur, qui sous forme d'au moins un courant parcourt au moins un cycle, en apportant au fluide comprimé de la chaleur au moyen d'un fluide de chauffage et en soustrayant de la cha- leur au fluide détendu au moyen d'un fluide de refroidissement.
Elle se caractérise en ce qu'il existe au moins deux cycles, dont au moins un cy- cle "antérieur" à haute température est suivi par un cycle "postérieur" à température plus basse, le fluide moteur du cycle "antérieur" sert de fluide de chauffage, qui cède au cycle "postérieur" une partie au moins de la chaleur qu'il doit recevoir de l'extérieur, et on emploie au moins dans le cycle postérieur un fluide moteur dont la température critique est égale au moins à 260 Kelvin et au plus à 620 Kelvin, on choisit la na- ture de ce fluide et on aménage le cycle de façon à faire coincider au moins une partie de la période pendant laquelle et soustraite au fluide la quantité de chaleur qu'il doit céder définitivement pendant son cycle,pen- dant 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 puissan- ce 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 et au plus à 1,1 fois la température critique et inférieure 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.
L'invention concerne encore une installation de production de force motrice thermique convenant à l'application du cycle suivant l'in- vention à l'aide d'un fluide moteur au moins qui, sous forme d'un courait au moins, parcourt un circuit au moins qui consiste en principe en au moins un appareil de chauffage qui cède de la chaleur au fluide moteur comprimé, au moins un dispositif de détente dans lequel le fluide moteur comprimé et chauffé se détend en fournissant du travail, éventuellement au moins un
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échangeur de chaleur intérieur qui soustrait de la chaleur au fluide moteur détendu et la transmet au fluide moteur comprimé, en outre au moins un dis- positif de refroidissement qui soustrait au fluide moteur détendu la quanti- té de chaleur à soustraire définitivement au circuit, et enfin au moins un compresseur.
Cette installation de production de force motrice est caracté- risée en ce qu'elle comporte au moins deux circuits, dont l'un au moins est à une température plus élevée q'un autre,et au moins un échangeur de cha- leur extérieure qui sert de dispositif de refroidissement du circuit "an- térieur" à haute température et en même temps de dispositif de chauffage du circuit "postérieur" à température plus basse, et en ce qu'on emploie au moins pour le circuit postérieur un fluide moteur dont la température cri- tique est égale au moins à 260 K et au plus à 620 K,
ce fluide étant choi- si et ses températures et ses pressions étant réglées de façon à faire coïn- cider une partie au moins de la période pendant laquelle est soustraite au fluide la quantité de chaleur qu'il doit céder définitievement pendant son cycle et au cours de laquelle il se comprime et reçoit la quantité de cha- leur 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 tempéra- tures Kelvin sont égales au moins à 0,95 fois et au plus à 1,1 fois la tem- pérature critique, et inférieure à la température.maximum du cycle, et dans lequel les pressions absolues sont égales au moins à la pression de vapori- sation correspondant à 0,
95 fois la température critique et au plus à 10 fois la pression critique.
La quantité de chaleur destinée à la production de la force mo- trice peut provenir d'une source quelconque. Par exemple, sa température initiale peut être égale à la température maximum existante puis cette tem- pérature peut être abaissée avant qu'elle soit ou pendant qu'elle est cédée au fluide moteur à une valeur que les matériaux à envisager dans la produc- tion de la force motrice peuvent supporter.
La source de cette quantité de chaleur peut aussi être la température acceptable, mais le plus souvent une fraction supérieure de la chute de température, qui résulte en soi de l'a- baissement à la température du milieu environnant, devra rester inutilisée lorsque la force motrice est produite au moyen d'un cycle intermittent (par exemple un moteur à pistons) et encore davantage lorsque le cycle est sta- tionnaire (par exemple une turbine à vapeur ou à gaz). Pour tenir compte de la résistance des matériaux, la température supérieure est alors limitée à 900 K environ et on dispose d'une chute de température jusqu'à la tempéra- ture jusqu'à la température du milieu environnant, d'environ 290 K par exem- ple.
En utilisant aussi complètement que possible cette chute de tem- pérature, on obtient la plus grande quantité possible de force motrice,c'est- à-dire le rendement le plus avantageux. On doit donc s'efforcer de réaliser isothermiquement l'apport de chaleur au fluide moteur ainsi que la soustrac- tion de chaleur à ce fluide.
Les isothermes, qui sont en même temps des isobares, se trouvent dans la zone de l'état "semi-liquide" des corps (en partie à l'état de li-. quide et en-partie à l'état de vapeur).
On ne connaît cependant aucun corps susceptible de servir de flui- de moteur dont la zone semi-liquide permet de réaliser dans la pratique un cycle qui fonctionne entre une isobare-isotherme correspondant à une tempé- rature supérieure de 900 K et une autre isobare-isotherme correspondant à u- ne température inférieure de 290 K. Les corps dont la température critique est élevée,et en particulier supérieure à 900 K, ont généralement un point d'ébullition trop élevé et leur condensation à une température de 290 K exi- gerait un vide trop voisin du vide absolu, de sorte que la partie à basse pression et le condenseùr du circuit devraient avoir des dimensions beau- coup trop grandes.
Au contraire, les corps qui peuvent se condenser prati- quement à une température de 2900K (quoiqu'aussi parfois, comme par exemple l'eau, avec des dimensions encore très grandes de la partie à basse pres- sion et du condenseur) ont généralement une température critique trop bas- se, de sorte que, par exemple dans le cas de l'eau (température critique d'environ 647 K) la moitié environ de la chute de température dont on dis-
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pose entre 900 et 290 K, devrait rester inutilisée.
Pour diminuer ces per- tes, on a dû renoncer à l'apport de chaleur isotherme dans la machine à va- peur d'eau et on a eu recours à la surchauffe pour utiliser ainsi, quoique partiellement et pour une partie seulement de la quantité de chaleur appor- tée, la fraction de la chute de température supérieure à la température de vaporisation et restée inutilisée jusqu'alors. Les machines à vapeur à plu- sieurs fluides préconisées, par exemple à vapeur de mercure et à vapeur d'eau, permettraient en soi d'utiliser la totalité de la chute de tempé- rature, mais n'ont pas réussi jusqu'à présent à s'imposer dans la pratique.
Dans le cas du cycle à vapeur il est donc possible de soustrai- re la chaleur isothermiquement (toutefois avec une partie à basse pression et un condenseur de très grandes dimensions), mais en ce qui concerne l'ap- port de chaleur on est obligé de renoncer à priori à réaliser le cycle.le plus avantageux au point de vue thermodynamique.
De même, dans le cas du cycle à gaz (par exemple de la turbine à gaz) on a été obligé de s'écarter du cycle le plus avantageux au point de vue théorique. A l'encontre des corps à l'état semi-liquide il existe bien de nombreux corps à l'état gazeux, qui permettent de parcourir sous forme de fluide moteur un cycle compris entre les températures de 900 et 290 K. Cependant on a été obligé de s'en écarter, car une isotherme n'est pas réalisable avec un gaz, puisqu'elle exigerait que l'apport de chaleur d'effectue avec détente simultanée et la soutraction de chaleur avec com- pression simultanée.
Il en résulte dans la pratique qu'on ne peut que se rapprocher d'une isotherme, en ayant ainsi à prévoie pour l'isotherme su- périeure une turbine avec un nombre d'étages intermédiaires de réchauffa- ge aussi grand que possible et pour l'isotherme inférieure un compresseur avec un nombre d'étages intermédiaires de refroidissement aussi grand que possible, les machines a étages multiples de cette nature sont coûteuses et volumineuses et surtout compliquées et donnent lieu elles-mêmes à des pertes supplémentaires. A partir d'un certain nombre d'étages, ces pertes deviennent si considérables qu'elles réduisent à néant l'amélioration théo- rique à envisager ou même font plus que la compenser. Le nombre d'étages possibles est ainsi limité et l'écart à partir de.l'isotherme envisagée augmente.
Cependant cette solution a l'avantage, par rapport au cycle à vapeur, de faire arriver à haute température la totalité de la chaleur pro- venant de la source, tandis que dans le cas du cycle à vapeur une portion le plus souvent assez importante de cette chaleur doit être apportée sui- vant l'isotherme de vaporisation à température sensiblement plus basse, c'est-à-dire avec une perte beaucoup plus grande par rapport à la chute de température disponible. Mais en revanche elle à l'inconvénient de ne pas permettre non plus de soustraire la chaleur isothermiquement. L'échange de chaleur avec le fluide de refroidissement donne donc lieu à des pertes par rapport à la chute de température, analogues à celles de l'échange de cha- leur avec le fluide de chauffage.
De plus la puissance du compresseur né- cessaire à la compression sensiblement adiabatique du fluide moteur gazeux est déjà théoriquement très grande par rapport à la force motrice qu'il est possible de produire. Ces pertes font donc diminuer très notablement la force motrice produite, quoique les pertes d'un compresseur adiabatique de ce type puissent être '.plus faibles par rapport à sa puissance, que cel- les d'un compresseur comportant plusieurs refroidissements intermédiaires, étant donné que cette force motrice n'est recueillie qué sous forme de dif- férence entre la puissance de la turbine et celle du compresseur. Au con- traire dans la machine à vapeur, la compression s'effectue à l'état liqui- de, ce qui permet de rendre la puissance du compresseur négligeable.
Dans le but d'atténuer ou de supprimer les inconvénients que présentent d'une part le cycle à vapeur et d'autre part le cycle à gaz, l'in- vention consiste à remplacer cette seule soustraction défavorable de la cha- leur, au moyen d'au moins un circuit postérieur monté d'une manière spécia- le et d'une forme de construction spéciale, par plusieurs échanges de cha- leur avantageux, en faisant participer le circuit postérieur lui-même à la production de la force motrice.
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Il ressort de l'énumération donnée ci-après à titre d'exemple d'un certain nombre de corps connus que ces corps déjà sont susceptibles en tant que fluides moteurs dans le procédé suivant l'invention et dans le procédé suivant l'invention et dans l'installation de production de for- ce motrice thermique contenant à l'application de ce procédé, de fonction- ner dans l'intervalle des températures critiques considéré, et permettent en choisissant entre eux de tenir compte d'autres considérations, par exem- ple des risques de décomposition, d'explosion, de corrosion, ainsi que phy- siologiques.
En particulier en ce qui concerne ces risques, les produits qui méritent d'être pris prélablement en considération sont ceux qui sont désignés dans le commerce sous le nom de "fréons" et qui sont des dérivés fluorochlorés du méthane (voir "les propriétés thermiques de tous les déri-
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vés fluoro-chlorés du méthane", par G. Seger, paru dans l'annexe n 13194z du journal "Zeitschrift des Vereins deutscher Chemiker", ainsi que'les dé- rivés fluoro-chlorés des hydrocarbures saturés et leurs applications possi-
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bles dans la technique" par le Prof. Dr. R. Plank dans "l'annexe n 44, 1942 du journal TZeitschrift des Vereins deutscher Chemiker"), dont l'énuméra- tion ne contient que deux exemples.
L'énumération donnée ci-après comporte d'abord le nom des corps classés d'après leur température critique, suivi éventuellement de leur for- mule chimique entre parenthèses, puis de leur température critique approxi- mative en degrés Kelvin : Ozone 268, éthylène 282, xénon 289, anhydride carbonique 304, éthane 308, acétylène 308, oxyde nitreux (N20) 309, fluorure de méthyle (CH3F) 318, aci- de chlorhydrique (HG1) 324, phosphure d'hydrogène (PH3) 325, hexafluorure de soufre (SF6) 333, acide bromhydrique (HBr) 363, propylène 365, propane 70,
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acide sulfhydrique 373, sulfure de carbonyle (COS) 378, "fréon 12" (GC1 F2) 384, "fréon C,318u 388, diméthyléther (C2H60) 400, cyanogène 401, ammonia- que 405, isobutane (C4ÉlO)
406, chlorure de méthyle (cE3cl) 416, chlore 417, méthylamine (CH5N) 430, anhydride sulfureux 430, diméthylamine (02H7N) 437, chlorure de nitrosyle (NOcl) 438, éthylamine 456, n-pentane 470, diéthylami- ne 500, alcool éthylique (C2H60) 516, n-heptane 540, benzol (C6H6) 561, bro-
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me 583, toluol (C7H8) 593, acide acétique 594. kg/cm2. A titre de comparaison : Eau 647 K avec pression critique de 225 kg/cm2.
Les chiffres correspondant à l'eau indiqués à la fin de l'énu- mération montrent que et pourquoi l'eau ne peut pas être envisagée à titre de fluide moteur dans le cycle suivant l'invention. En effet, la pression critique de l'eau est si forte que si on dépasse la température critique pour l'entropie du point critique, ainsi que non seulement il peut arriver dans le cycle suivant l'invention, mais encore qu'on doit s'efforcer de le faire dans une forme de réalisation choisie de préférence de ce cycle, on arrive avec'l'eau à une pression assez forte pour donner lieu à des diffi- cultés pratiques paraissant insurmontables pour le moment. Les fluides mo- teurs satisfaisant aux conditions prescrites suivant l'invention peuvent aus- si être obtenus par des mélanges.
Il peut être avantageux d'aménager le cycle et de choisir au moins pour le circuit postérieur un fluide moteur c'est-à-dire de prévoir au moins pour le circuit postérieur de l'installation de production de for- ce motrice thermique un fluide moteur et de régler les températures et les pressions de façon qu'au moins à puissance normale, ce fluide entre au moins, pendant que-lui est soustraite la quantité de chaleur qui doit être soustrai- te définitivement au cycle, dans une zone dans laquelle il est à l'état se- mi-liquide, et que par suite sa "chaleur spécifique à pression constante" soit infinie, et que pendant que la quantité de chaleur qui doit lui être
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cédée lui est transmise, ce gluide passe par des états dans lesquels sa Ifcha- leur spécifique à pression constante" est finie,
la valeur moyenne de cette chaleur spécifique calculée dans un intervalle de 20 K étant au maximum qua- tre fois plus grande que la valeur moyenne de l'expression -dQ/dT de l'échan- ge de chaleur, calculée dans le même intervalle de température, dQ désignant
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la quantité de chaleur transmise par unité de poids au fluide moteur par le fluide de chauffage utilisé dans cet intervalle de température, pendant que la température du fluide de chauffage varie de la valeur différentielle -dT.
En suivant cette prescription, on facilite entre autres la "cor- rection de détail" de l'échange de chaleur qui se produit entre les circuits antérieur et postérieur :
En choisissant d'une manière appropriée le rapport entre les quantités du fluide moteur des circuits antérieur et postérieur, qui consti- tuent les composantes de l'échange de chaleur entre les deux circuits à ti- tre de fluides de chauffage et de refroidissement, il est nécessaire de lui faire subir une "correction globale" pour que la quantité de chaleur absor- bée par le circuit postérieur soit égale à celle que doit céder le circuit antérieur entre les limites de température prévues. Il peut alors être avan- tageux d'effectuer ensuite la "correction de détail précitée.
Si on désire réaliser un échange de chaleur entre deux composan- tes à contre courant en réduisant au minimum les pertes par rapport à la chu- te de température disponible, il faut faire en sorte que pendant qu'une quan- tité de-chaleur différentielle est transmise par la composante qui la cède à la composante qui la reçoit dans un élément différentiel du trajet du flux, la température de la première s'abaisse autant que possible du même nombre de degrés que celle de la seconde s'élève. Sinon les températures des deux com- posantes divergent en donnant lieu à des pertes par rapport à la chute de température disponible et ces pertes ne peuvent être acceptées que dans une mesure limitée.
Un échange de chaleur sans perte entre une composante de "chaleur spécifique à pression constante" finie (dite pour abréger "chaleur. spécifique") et une autre composante qui absorbe ou cède une quantité de cha- leur relativement grande à chaleur spécifique infinie, c'est-à-dire une com- posante qui pendant l'échange d'une quantité de chaleur relativement grande est à l'état semi-liquide isobare est donc irréalisable. Une "correction de détail" est également irréalisable pratiquement dans ce cas, car ainsi qu'il a déjà été dit, une isotherme n'est pratiquement pas réalisable dans un gaz, c'est-à-dire dans une composante à chaleur spécifique finie, puisqu'ainsi qu'il a été dit, les pertes deviennent si considérables qu'elles réduisent à néant l'amélioration théorique à envisager ou même font plus que la com- penser.
Au contraire si on suit les prescriptions de l'invention au sujet du choix du fluide moteur et de l'aménagement du cycle il est possible de faire correspondre les variations de température d'une composante à celles de l'autre de façon à rendre la "correction de détail" réalisable.
A l'aide des diagrammes T/S (température/entropie) qui serviront plus loin à la description des exemples de réalisation de l'invention, on peut déterminer les chaleurs spécifiques importantes à cet effet d'après les considérations suivantes :
Soient Q la quantité de chaleur par unité de poids, S l'entropie, T la température Kelvin, cp la chaleur spécifique à pression constante, ap- pelée pour abréger chaleur spécifique, on a les équations différentielles connues suivantes : dQ : cp. dT et dS - dQ/T d'où on tire : dT/dS = T/cp ou en d'autres termes : l'inclinaison de l'isobare du diagramme T/S est di- rectement proportionnelle à la température Kelvin et inversement proportion- nelle à la chaleur spécifique.
Pour réaliser la "correction de détail", on peut avant que l'é- change de chaleur soit terminé, transmettre à une des composantes au moins une certaine quantité d'énergie mécanique, par exemple au moyen d'un com- presseur au moins. On peut, avant que l'échange de chaleur soit terminé, faire varier la quantité d'une des composantes au moins pénétrant dans l'é- changeur de chaleur. Ce résultat peut être obtenu au moyen d'une dérivation.
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On peut traiter séparément la quantité partielle dérivée de la composante, par exemple la comprimer séparément au moins à un étage ou la détendre et, éventuellement après apport ou soustraction de chaleur, la réintrodui- re dans le circuit ou l'en faire sortir définitivement. On peut avant que l'échange de chaleur soit terminé faire arriver un supplément de chaleur au moins à une des composantes. Cet apport de chaleur supplémentaire peut aussi être obtenu par une transformation chimique de la composante.
Les exemples de réalisation donnés ci-après permettent de mieux comprendre le principe de l'invention, le cycle qui en fait l'objet de l'installation de production de force motrice thermique suivant l'in- vention qui convient à son application. Les fig. 1, 3, 5, 7, 9 et 11 des dessins ci-joints représentent sous forme de diagrammes T/S (température/ entropie) le cycle suivant l'invention et les fig. 2, 4, 6, 8 et 10, sous forme schématique, des exemples de réalisation de l'installation de pro- duction de force motrice thermique, l'exemple de la fig. 2 convenant à l'ap- plication du cycle de la fig. l, celui de la fig. 4 à celle du cycle de la fig. 3 etc...
Les diagrammes T/S sont aussi représentés sous forme schéma- tique, étant donné que pour faire apparaitre plus nettement les phénomènes d'échange de chaleur les cycles représentés ont été décalés l'un par rap- port à l'autre dans le sens des entropies S. Il 7 a lieu de remarquer en- core que les quantités en poids du fluide moteur qui circulent dans les circuits représentés ne sont pas les mêmes et que par suite les figures ne correspondent pas à 1 kg de fluide moteur, mais comportent déjà une "cor- rection globale" au moins approximative.
Sur les diagrammes K représente le point critique, L, la courbe limite du côté gauche et R la courbe limi- te du côté droit du fluide moteur choisi dans le-circuit considéré; de plus sur les fig. 1 et 11 on a désigné pour ce fluide par :1 l'isotherme cor- respondant à 0,95 fois la température critique, 2 celle qui correspond à 1,1 fois la température critique, 3 l'isobare de la pression de vaporisa- tion, qui correspond à 0,95 fois la température critique et / l'isobare de 10 fois la pression critique absolue. La zone des variations d'état limi- tée par les courbes 1 à 4 est mise en évidence par des hachures.
Suivant les fig. 1 et 2, le circuit antérieur est désigné par les numéros à 13 et le circuit postérieur par les numéros 14 à 18. Le circuit antérieur est un circuit à gaz, ouvert par rapport à l'atmosphère., et le fluide moteur du circuit postérieur fermé est le "fréon 12". Le cir- cuit antérieur regoit la chaleur qui doit lui être transmise de l'extérieur suivant la portion d'isobare 5-6. Une chambre de combustion 20 sert à cet effet et elle reçoit par une canalisation 21 du combustible qui brûle dans le foyer 22 à l'intérieur du fluide moteur qui par suite subit une trans- formation chimique. Il se détend suivant la courbe 6-7 dans la turbine 23 en fournissant du travail. Une certaine quantité de chaleur est soustraite suivant la courbe 7-8 dans l'échangeur de chaleur 24.
Une certaine quanti- té de chaleur est transmise suivant la portion d'isobare 8-10 dans l'échan- geur de chaleur 25 au circuit postérieur. Une certaine quantité de chaleur se dissipe dans le milieu environnant suivant le trajet interrompu 10-11.
A cet effet le fluide moteur s'échappe à l'extérieur au point 10 par un tuyau d'échappement 26 et du fluide frais est aspiré dans l'atmosphère par un tuyau d'admission 27. Les tuyaux d'admission et d'échappement forment ainsi un dispositif de refroidissement du circuit antérieur. Le fluide frais aspiré dans l'atmosphère subit une compression suivant la courbe 11- 13, au moyen du compresseur 28, puis reçoit suivant l'isobare 13-5, au moy- en de l'échangeur de chaleur la quantité de chaleur qui lui a été sous- traite, suivant la courbe 7-8.
Le circuit postérieur reçoit suivant l'isobare 14-15 au moyen de l'échangeur de chaleur 25, la chaleur qui doit lui être transmise et qui provient de la courbe 8-10 du circuit antérieur. Le fluide se détend sui- vant la courbe 15-16 au moyen de la turbine.23, en fournissant du travail.
La chaleur sui doit être soustraite définitivement est transmise à un fluide de refroidissement du voisinage au moyen du réfrigérant 30, suivant l'isoba- re 16-18. Le fluide subit une compression suivant la courbe 18-14 au moyen d'un compresseur 31, qui peut aussi consister en une pompe.
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L'échange de chaleur entre le circuit antérieur (courbe 8-10)
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et le circuit postérieur (courbe H-15)< subit une "correction globale", en choisissant d'une manière appropriée les quantités de fluide moteur qui circule d'une part, dans le circuit antérieur et, d'autre part, dans le circuit postérieur. Ainsi qu'on peut le voir, il est possible de faire
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prendre à l'isobare 14-]2 qui traverse la zone d'état hachurée, limitée par les courbes 1 à ¯4, une forme qui correspond relativement bien à celle de l'isobare 8-10.
Cependant on constate des écarts au milieu de l'isobare 14-]2 : alors qu'à partir du point ±, l'inclinaison de cette isobare indi- que tout d'abord que la chaleur spécifique est encore à peu près constante, l'isobare s'aplatit de plus en plus, en indiquant ainsi que la valeur spé- cifique a augmenté jusqu'à ce qu'au voisinage du point]2, elle diminue de nouveau et redevienne sensiblement constante. Par contre la chaleur spé- cifique reste à peu près constante sur toute la longueur de l'isobare 8-10.
Il peut donc y avoir lieu de faire subir encore à l'échange de chaleur une "correction de détail". A cet effet, ainsi que l'indique la fig. 1 en poin- tillé, on peut dériver, par exemple au point ¯9, une portion de la composan- te du circuit antérieur et la comprimer par un compresseur, non représenté sur la fig. 2, jusqu'au point 19, puis soustraire à cette portion dérivée, suivant l'isobare 19-12, au moyen d'un échangeur de chaleur, également non représenté sur la fig. 2, une certaine quantité de chaleur et la transmet- tre à l'autre composante du circuit postérieur avant que l'échange de cha- leur soit terminé et en particulier suivant la portion plus aplatie de l'i-
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sobare 1,,4-; qui par suite correspond à une chaleur spécifique plus gran- de.
En outre, la quantité de la composante du circuit antérieur qui entre en échange de chaleur, varie, étant donné qu'à partir du point 8 la quanti- té totale entre d'abord en échange de chaleur puis s'augmente de la portion dérivée, puis à partir du point ¯9 redevient,égale à la quantité totale, pour diminuer finalement au voisinage=du point 10 et redevenir égale à la quanti- té totale diminuée de la portion dérivée. La portion dérivée peut être réin- troduite dans le circuit antérieur au point 12 et y circuler de nouveau. E- tant donné que cette portion est faible 31 n'y a pas d'inconvénient à la fai- re recirculer, par exemple dans la chambre de combustion 22.
La machine qui utilise la force motrice produite par l'installa- tion thermique a été choisie à titre d'exemple sur la fig. 2 sous forme de générateur électrique 32.
On peut aussi choisir pour le circuit postérieur en tenant comp- te des prescriptions suivant l'invention, un autre fluide moteur, par exem- ple l'anhydride carbonique.
Les fig. 3 et 4 représentent un cycle et une installation qui, en un sens, constituent une variante des fig. 1 et 2. Le circuit antérieur
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désigné par les numéros .33 à 40, est comme précédemment un circuit à gaz mais un circuit fermé, qui permet de choisir à titre de fluide moteur un gaz quelconque. Le fluide moteur du circuit postérieur est comme précédem-
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ment le fréon 12. Ce circuit est désigné par les Nos 41 à 47. Le fluide du circuit antérieur reçoit la chaleur qui doit lui être transmise de l'exté-
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rieur suivant l'isobare 33-3.. Le dispositif de chauffage est un réchauf- feur à gaz 48,, chauffé par un foyer 49, et pouvant comporter un récupéra- teur 50 ainsi qu'un ventilateur aspirant 51. Le fluide se détend dans la turbine z2 en fournissant du travail suivant la courbe .3-5..
Une certaine quantité de chaleur est soustraite au fluide moteur détendu par l'échangeur de chaleur .2J suivant l'isobare 12-16.. Une quantité de chaleur supplémen- taire est soustraite suivant les isobares 1Q-ïZ et 31- par les échangeurs de chaleur respectifs 5.k et 55 et est transmise au circuit postérieur. La quantité de chaleur à dissiper définitivement est soustraite suivant l'iso- ,bkre ]g- 3.2 dans un réfrigérant # au moyen d'un fluide réfrigérant prélevé dans le milieu environnant. Le fluide moteur subit une compression dans le
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compresseur -5:1. suivant la courbe 3-AO, puis pénètre dans le faisceau tubu- laire de l'échangeur de chaleur .23 et y reçoit suivant l'isobare lill-TI la quantité de chaleur qui lui a été soustraite antérieurement suivant l'isoba-
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re 3,2-1Q.
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La chaleur qui doit être apportée au circuit postérieur est
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transmise au fluide moteur suivant la courbe ¯41-¯l J*. Le fluide moteur se détend dans la turbine je en fournissant du travail suivant la courbe M,- 45 et la chaleur qui doit être soustraite définitivement est absorbée dans le réfrigérant 59 au moyen d'un fluide réfrigérant prélevé dans le milieu
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environnant suivant la courbe iI:2-j;1. Le fluide subit une compression au moyen du compresseur 60 suivant la coubre l-1,,1.
En choisissant d'une manière appropriée les quantités de flui- de moteur circulant, d'une part, dans le circuit antérieur, et d'autre part, dans le circuit postérieur, on peut comme précédemment faire subir u- ne "correction globale" à rechange de chaleur qui se produit entre l'iso-
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bare 36-38 du circuit antérieur et la courbe l..l-1 du circuit postérieur.
Pour faire subir également à cet échange de chaleur une "correction de dé- tailt' le fluide moteur du circuit postérieur subit une compression au moy-
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en d'un compresseur 61 suivant la courbe Z.2-3. en recevant ainsi de l'éner- gie mécanique et en conséquence, les pressions, ainsi qu'en particulier les températures de l'isobare 3-Z. sont plus élevées que elles correspon- températures ¯4-¯4à sont plus élevées qt!-e si elles correspon- daient au prolongement de l'isobare -L2. Il est possible ainsi de diminuer l'écart entre la température de la composante d'échange de chaleur absorbant de la chaleur suivant la courbe 1.2-!.- et la température de la compo- sante cédant de la chaleur suivant la courbe 32-32-38.
L'échangeur de cha- leur 22 transmet ainsi la chaleur soustraite suivant l'isobare 37-38 au cir- cuit postérieur suivant l'isobare 42 et l'échangeur de chaleur !2k trans- met la chaleur soustraite suivant l'isobare 36-37 au circuit postérieur sui-
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vant l'isobare ¯42-¯Ikà. Une autre conséquence avantageuse de cette "correction de détail" consiste en ce que l'isobare ±µ-±fi devient plus courte que l'iso- bare 16-17 de la fig. 1. En conséquence, la presque totalité de la chaleur à dissiper définitivement suivant la courbe 45-47 peut être soustraite iso- thermiquement. Comme précédemment, on peut choisir pour le circuit posté- rieur, en tenant compte des prescriptions suivant l'invention, un autre flui- de moteur, par exemple l'anhydride carbonique.
La machine qui utilise la for- ce motrice produite est comme précédemment, à titre d'exemple, un générateur électrique 32.
Le circuit antérieur des fig. 5 et 6 est un circuit fermé en par- tie dont la portion fermée sur elle-même est désignée par les Nos 62 à 68 et
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la portion ouverte est désignée par la courbe 62-69-70-71-72-73 ainsi que par la courbe $±-µ±. Le fluide moteur du circuit postérieur qui est désigné par les Nûs 12. à 81, est comme précédemment le fréon 12. Au point 62 une dé- rivation 82 sépare de la portion ouverte du circuit antérieur en permanence
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une fraction, qui est chauffée suivant l'isobare 62- µplQ par une chambre de combustion 83 dans laquelle passe le fluide moteur.
Ce chauffage peut être poussé jusqu'à une température qui, au point 70, est sensiblement plus éle- vée que celle à laquelle peuvent résister les matériaux et qui correspond à peu près à la température des points.62 et 71. En effet, la fraction préle-
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vée circule suivant l'isobare 1Q-11 dans l'échangeur en échange de cha- leur avec le fluide moteur de la portion fermée sur elle-même qui suit l'i-
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sobare ¯2-b 2. Mais les deux composantes de cet échange de chaleur qui sui- vent la même isobare sont à la même pression et, par suite, le faisceau tu- bulaire de cet échangeur de chaleur 84 ne subit aucun effort mécanique.
Le fluide moteur de la portion fermée sur elle-même, ainsi chauffé jusqu'au point 63. se détend ensuite dans la turbine 85 en fournissant du travail,
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suivant la courbe .Q3-, puis l'échangeur de chaleur 86 lui soustrait de la chaleur suivant l'isobare .6-6. Un échangeur de chaleur qui contient trois faisceaux 87, z8 et 19, soustrait au fluide, suivant l'isobare f:i2.-.Q.Q, une nouvelle quantité de chaleur, qui est transmise au circuit postérieur. En- fin, le réfrigérant 90 soustrait au fluide moteur la quantité de chaleur qui
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doit être soustraite définitivement suivant l'isobare µfi6-µ7 au moyen d'un fluide de refroidissement qui provient du milieu environnant.
Le fluide mo- teur subit une compression dans le compresseur 91 suivant la courbe 67-68. puis reçoit à l'état comprimé dans l'échangeur de chaleur 86 - suivant l'iso-
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bare 6-62 la chaleur qui lui a été soustraite suivant la courbe fik-fJ.2. Le fluide moteur de la portion ouverte du circuit antérieur se détend suivant
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la courbe 71-72 dans les turbines 92 et 92' en fournissant du travail puis cède un supplément de chaleur au circuit postérieur dans l'échangeur de chaleur 93 suivant l'isobare 72-73.
La fraction prélevée s'échappe dans l'atmosphère au point 73 par un tuyau d'échappement 94 et au point 74 un tuyau d'admission 95 aspire dans l'atmosphère une quantité de fluide mo- teur frais qui remplace la fraction prélevée, ce fluide se comprime dans un surcompresseur 96 suivant la courbe 74-65 et au point 65 arrive par un orifice 97 dans la portion fermée sur elle-même du circuit antérieur.
Le circuit postérieur reçoit suivant l'isobare 75-78 la cha- leur qui doit lui être transmise ; le fluide se détend dans la turbine 98 en fournissant du travail, suivant la courbe 78-79, puis suivant la cour- be 79-81 le réfrigérant 99 soustrait la quantité de chaleur qui doit être soustraite définitivement au moyen d'un fluide de refroidissement qui pro- vient du milieu environnant. Le fluide subit une compression au moyen du compresseur 100 suivant la courbe 81-75.
L'échange de chaleur entre l'isobare 65-66 du circuit antérieur et l'isobare 75-78 du circuit postérieur s'effectue dans les échangeurs de chaleur fil, 88, 89, et on fait en sorte, comme précédemment, en choisissant d'une manière appropriée les quantités du fluide moteur qui circulent dans le circuit antérieur et dans le circuit postérieur, que cet échange de cha- leur subisse une "correction globale" en y comprenant la quantité de chaleur échangée en supplément suivant l'isobare 72-73. La "correction de détail" s'effectue du fait que la composante absorbant la chaleur de l'échange de chaleur suivant l'isobare 76-77 ainsi que suivant la portion de l'isobare 12-la de forme particulièrement aplatie et correspondant par suite à une chaleur spécifique particulièrement grande, reçoit un supplément de chaleur.
Ce supplément de chaleur est transmis à la composante absorbant la chaleur d'abord dans le faisceau tubulaire 89 suivant ¯la courbe 75-76 en provenant de l'isobare 65-66, puis le courant de la composante absorbant la chaleur se bifurque au point 101. Une partie du courant passe dans le faisceau tubulai- re 88 et reçoit de la chaleur provenant de l'isobare 65-66 et une autre par- tie du courant passe dans l'échangeur de chaleur ± dans lequel il reçoit un supplément de chaleur soustrait suivant la courbe 72-75 au fluide moteur de la portion ouverte du circuit antérieur. (Courbe 76-77). Enfin, les frac- tions de la composante précitée qui se sont de nouveau réunies par un orifi- ce 102, circulent dans le faisceau tubulaire 87 dans lequel la composante reçoit suivant la courbe 77-78 seulement la chaleur qui provient de la cour- be 65-66.
'Comme précédemment, on peut choisir pour le circuit postérieur en tenant compte des prescriptions suivant l'invention, un autre fluide mo- teur, par exemple l'anhydride carbonique.
La machine qui utilise la force motrice ainsi produite est dans le cas présent une hélice 103, qui reçoit son mouvement par l'intermédiaire d'une transmission dentée 104. Une machine électrique 105 est accouplée avec la turbine 85 et le compresseur 91 et peut servir à combler le déficit de puissance éventuel, ainsi qu'à transformer en énergie électrique l'excès é- ventuel de puissance.
Le cycle et l'installation des fig. 6 et 5 ont encore d'autres avantages particuliers. En effet, il peut arriver dans une installation dans laquelle le fluide moteur subit une transformation chimique dans le disposi- tif de chauffage (par exemple par combustion d'un combustible dans le fluide moteur), que des acides se forment dèsque la température du fluide moteur . ainsi modifié devient inférieure à une certaine valeur. C'est pourquoi, dans le cas d'un circuit ouvert, par exemple du cycle de la fig. l, les chaleurs perdues du circuit antérieur ne doivent être utilisées au moyen du circuit postérieur que jusqu'. une limite de température inférieure, et certaines portions du circuit doivent être construites en matériaux résistant aux aci- des et par suite particulièrement coûteux, si le combustible contient des éléments formant des acides, par exemple du soufre.
Au contraire, dans le cas du cycle de la fig. 5, la portion fermée sur elle-même du circuit anté-
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rieur est parcourue par de l'air et par suite la chaleur peut être utilisée jusqu'a une température sensiblement égale à celle du milieu environnant.
Le point fil de la fig. 5 correspond donc à une température sensiblement plus basse que le point 73 où le fluide moteur transformé chimiquement par la combustion doit s'échapper dans l'atmosphère. Mais la quantité de fluide qui s'échappe dans l'atmosphère au point 73 est beaucoup plus faible que celle qui circule dans la portion fermée sur elle-même du circuit antérieur, c'est- à-dire la quantité de fluide moteur qui circule aussi au point 66, de sorte que l'avantage est obtenu pour la majeure partie (et de beaucoup) du fluide moteur.
Un autre avantage consiste dans la possibilité de renoncer à un re- froidissement intermédiaire du surcompresseur 96, ainsi que du compresseur 91, étant donné que la chaleur qui serait dissipée inutilement dans le mi- lieu environnant par des réfrigérants intermédiaires est transmise utilement au circuit postérieur par les échangeurs de chaleur 86 à 89.
Le fluide moteur des circuits antérieur et postérieur de l'exem- ple de réalisation des fig. 7 et 8 est l'anhydride carbonique. L'emploi de l'anhydride carbonique dans le circuit antérieur procure, parmi d'autres, l'avantage de rendre relativement faibles la puissance du compresseur, ain- si que, pour une puissance donnée et un nombre de mois-kilogrammes donné circulant par seconde, le rapport entre les pressions supérieure et infé- rieure du circuit, ainsi que le nombre d'étages nécessaires dans la turbine et le compresseur.
Le circuit antérieur est désigné par les numéros 106 à 113 et le circuit postérieur par 114 à 120. La puissance fournie étant normale,la pression supérieure du circuit antérieur (isobare 113-107) peut par exemple être d'environ 70 kg/cm2, la pression inférieure (isobare 108-112) d'envi- ron 12 kg/cm2 la pression supérieure du circuit postérieur (isobare 114-116) d'environ 160 kg/cm2 et la pression inférieure (isobare @-120)d'environ 65 kg/cm2.
La chaleur à apporter au circuit antérieur est transmise au flui- de moteur suivant la courbe 106-107 au moyen du dispositif de chauffage à gaz 121. Le dispositif de chauffage à gaz est équipé avec une chambre de com- bustion 122 et peut comporter un récupérateur 123 et un ventilateur aspirant de tirage 124. Le fluide se détend suivant la courbe 107-108 dans la turbi- ne 125 en fournissant du travail, une certaine quantité de chaleur lui est soustraite dans l'échangeur de chaleur 126 suivant l'isobare 108-109. Une certaine quantité de chaleur est soutraite suivant les portions d'isobares 109-110 et 110-111 dans les échangeurs de chaleur 127 et 128 et est trans- mise au circuit postérieur.
La quantité de chaleur à soustraire définitive- ment est soustraite suivant l'isobare 111-112 dans le réfrigérant 129 au moyen d'un fluide de refroidissement provenant du milieu environnant. Le fluide subit une compression dans le compresseur 130 suivant la courbe 112- Il'3. La chaleur soustraite au fluide moteur suivant l'isobare 108-109 lui est restituée dans l'échangeur de chaleur 126 suivant l'isobare Il]-106.
Dans le circuit postérieur, la chaleur qui a été soustraite dans le circuit supérieur suivant les isobares 111-110 et 110-109 est transmise au fluide moteur du circuit inférieur suivant les isobares 114-115 et 115- 116 dans les échangeurs de chaleur 128 et 127. Le fluide moteur se détend dans la turbine 131 en fournissant du travail suivant la courbe 116-117. Une certaine quantité de chaleur lui est soustraite suivant l'isobare 117-118 dans l'échangeur de chaleur 132 et est retransmise au fluide moteur sous for- me de supplément de chaleur suivant la courbe 114-115, en réalisant ainsi une "correction de détail" de l'échange de chaleur entre les deux circuits.
La chaleur à soustraire définitivement est soustraite dans le réfrigérant 135 suivant l'isobare 118-120 au moyen d'un fluide de refroidissement pro- venant du milieu environnant. Le fluide moteur subit une compression dans le compresseur 134 suivant la courbe 120-114. La machine qui utilise la puissance fournie est comme précédemment à titre d'exemple un générateur électrique 32.
Le circuit antérieur de l'exemple de réalisation des fig. 9 et 10 est un circuit ouvert et le fluide moteur du circuit postérieur est le
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fréon 12. Le circuit antérieur est désigné par les numéros 135 à 145 et le circuit postérieur par les numéros 146 à 152. La chaleur à apporter au cir- cuit antérieur lui est transmise par la chambre de combustion 153 suivant l'isobare 135-136 c'est-à-dire avec transformation chimique du fluide mo- teur. Celui-ci se détend dans la turbine 154 en fournissant du travail sui- vant la courbe 136-137.
Une certaine quantité de chaleur lui est soustraite suivant l'isobare 137-138 dans l'échangeur de chaleur 155.Des quantités de chaleur sont soustraites suivant la courbe 138-139 dans l'échangeur de chaleur 156 et suivant l'isobare 139-140 dans l'échangeur de chaleur 157 et sont transmises au circuit postérieur. Le fluide moteur du circuit antérieur s'échappe dans l'atmosphère au point 140 par un tuyau d'échappement 158. Le fluide frais est aspiré dans l'atmosphère au point 141 par un tuyau d'admis- sion 159 et comprimé à un premier étage au moyen du compresseur 160 suivant la courbe 141-142.
Une certaine quantité de chaleur est soutraite suivant l'isobare 142-143 dans l'échangeur de chaleur 161 et suivant l'isobare 143- 144 dans l'échangeur de chaleur 162 et est transmise au circuit postérieur.
Le fluide moteur subit une compression à un second étage dans le compres- seur 163 suivant la courbe 144-145 à la pression supérieure définitive du circuit antérieur. La chaleur qui lui a été soustraite suivant l'isobare 137-138 dans l'échangeur de chaleur 155 lui est restituée suivant l'isobare La chaleur soustraite suivant l'isobare 143-144 est transmise au circuit postérieur suivant l'isobare 146-147 au moyen de l'échangeur de cha- leur 162.
Les quantités de chaleur soustraites suivant l'isobare 139-140 ainsi que suivant l'isobare 142-143 sont transmises suivant l'isobare 147- 148 au moyen des échangeurs de chaleur 157 et' 161. La chaleur soustraite suivant l'isobare 138-139 est transmise suivant l'isobare 148-149 dans l'é- changeur de chaleur 156.Les échanges qui s'effectuent suivant les isobares 146-147-148-149 réalisent une "correction de détail" de l'échange de cha- leur entre les deux circuits, étant donné qu'un apport de chaleur (et par suite supplémentaire) s'effectue suivant la courbe 147-148 correspondant à une chaleur spécifique relativement grande (indiquée par la faible incli- naison de cette courbe) en provenance de l'isobare 139-140 ainsi qu'en mê- me temps de l'isobare 142-143.
Un autre avantage de ce dispositif consiste dans la possibili- té de faire échapper dans l'atmosphère le fluide moteur chimiquement trans- formé dans la chambre de combustion 153 dès le point 140, c'est-à-dire à u- ne température encore relativement élevée, c'est pourquoi on peut faire brû- ler dans la chambre de combustion 153 des combustibles formant des acides, par exemple des combustibles sulfureux, sans que ces acides puissent endom- mager en aucune manière des éléments quelconques de l'installation. Le dé- ficit qui en résulte pour l'échange de chaleur suivant l'isobare 146-147 est comblé par un apport de chaleur supplémentaire, suivant l'isobare 143- 144.
La compression qui s'effectue dans le circuit antérieur , au premier étage suivant la courbe 141-142, et au second étage suivant la courbe 144- est donc réalisée avec refroidissement intermédiaire (isobare 142-144) mais la chaleur soustraite pour le refroidissement intermédiaire ne se dis- sipe pas comme d'habitude inutilement dans le milieu environnant, et au contraire est transmise utilement au circuit postérieur. Le fluide moteur se détend dans le circuit postérieur suivant la courbe 149-150 dans la tur- bine 164 en fournissant du travail. La chaleur à soustraire définitivement est soutraite suivant l'isobare 150-152 dans le réfrigérant 165 au moyen d'un fluide de refroidissement provenant du milieu environnant. Le fluide moteur se comprime dans le compresseur 166 suivant la courbe 152-146.
Com- me précédemment on peut choisir pour le circuit postérieur en tenant corap- te des descriptions suivant l'invention un autre fluide moteur, par exemple l'anhydride carbonique.
La fig. 11 indique de quelle manière on peut disposer en série plus de de x circuits. Elle comporte trois circuits a, b et.Ç, parmi les- quels le circuit a peut être considéré comme étant le circuit antérieur,pré- cédant le circuitpostérieur b, lequel peut être considéré comme le circuit antérieur précédant le circuit postérieur c. Le circuit a peut être un cir- cuit gazeux fermé., le circuit b comporter à titre de fluide moteur par exen-
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ple l'anhydride sulfureux SO2 et le circuit a par exemple le fréon C-138.
Les fluides moteurs d'au moins les circuits b et c sont des fluides dont la température critique est égale au moins à 260 K et au plus à 620 K.
Ainsi qu'il ressort du diagramme, on choisit ces fluides pour les circuits b et c et on aménage le cycle de façon à faire coincider pour le circuit postérieur au moins une partie de la période pendant laquelle le fluide mo- teur se comprime et pendant laquelle il reçoit la quantité de chaleur qui doit lui être transmise, et au contraire pour le circuit antérieur au moins une partie de la période pendant laquelle est soustraite au fluide moteur la quantité de chaleur qu'il doit céder définitivement pendant, son cycle, et pendant laquelle il se comprime au moins lorsque la puissance débitée est normale,avec celle pendant laquelle l'état du fluide moteur est com- pris dans un intervalle contenant le point critique et dans lequel les tem- pératures Kelvin sont égales au moins à 0,95 fois et au plus à 1,
1 fois la température critique et 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 critique.
Ainsi qu'on peut encore le voir, on peut, en tenant compte des prescriptions qui précèdent faire déjà se correspondre l'isobare du gaz 169-170 et l'isobare 167-168 suffisamment pour que la "correction de détail" de l'échange de chaleur qui se produit entre les circuits a et b soit inuti- le. De plus la correspondance entre les isobares 171-172 et 173-174 de l'é- change de chaleur entre les circuits b et c est relativement satisfaisante; cependant l'échange de chaleur peut encore être amélioré par une "correc- tion de détail".
Le reste de la figure n'a besoin d'aucune autre explication, car il se comprend de lui-même diaprés les cycles et les installations dé- crites ci-dessus.
Ainsi qu'il ressort des fig. 2, 4, 6, 8 et 10, la manière dont les turbines et les compresseurs de l'installation se transmettent la puis- sance ou la transmettent à l'extérieur ou la reçoivent les unes des autres ou de l'extérieur peut être très différente. Le choix de ce mode de trans- mission dépend du cycle et de l'installation envisagéeo Les compresseurs 31 de la fig. 2; 60 de la fig. 4, 100 de la fig. 6 et 166 de la fig. 10 ne comportent pas de commande sur les figures, car la puissance qui leur est nécessaire est si faible qu'ils peuvent être actionnés d'une manière quel- conque à volonté.
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CYCLE AND PLANT FOR THE PRODUCTION OF THERMAL DRIVE FORCE.
The invention relates to a cycle for producing thermal motive force using at least one motive fluid, which in the form of at least one current passes through at least one cycle, providing the compressed fluid with heat by means of 'a heating fluid and removing heat from the expanded fluid by means of a cooling fluid.
It is characterized in that there are at least two cycles, of which at least one "previous" cycle at high temperature is followed by a "later" cycle at lower temperature, the working fluid of the "previous" cycle serves as heating fluid, which yields to the "later" cycle at least part of the heat that it must receive from the outside, and at least in the subsequent cycle is used a driving fluid whose critical temperature is equal to at least 260 Kelvin and at most 620 Kelvin, the nature of this fluid is chosen and the cycle is arranged so as to coincide at least part of the period during which and subtracts from the fluid the quantity of heat that it must definitively give up. during its cycle, during which it 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 within an interval containing the critical point and in which the Kelvin temperatures are equal to at least 0.95 and at most to 1.1 times the critical temperature and below the maximum temperature of the cycle and in which the absolute pressures are equal to at least the vaporization pressure corresponding to 0.95 times the critical temperature and at most 10 times the critical pressure.
The invention also relates to an installation for producing thermal motive force suitable for the application of the cycle according to the invention with the aid of at least one motive fluid which, in the form of at least one running, runs through one. at least circuit which in principle consists of at least one heating device which transfers heat to the compressed working fluid, at least one expansion device in which the compressed and heated working fluid expands providing work, possibly at least one
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internal heat exchanger which subtracts heat from the expanded working fluid and transmits it to the compressed working fluid, in addition at least one cooling device which removes from the expanded working fluid the quantity of heat to be permanently removed from the circuit, and finally at least one compressor.
This installation for producing motive power is characterized in that it comprises at least two circuits, of which at least one is at a higher temperature than the other, and at least one external heat exchanger which serves as a device for cooling the "anterior" circuit at high temperature and at the same time as a device for heating the "posterior" circuit at a lower temperature, and in that at least for the posterior circuit a motor fluid of which the critical temperature is equal to at least 260 K and at most 620 K,
this fluid being chosen and its temperatures and pressures being adjusted so as to coincide at least part of the period during which is withdrawn from the fluid the quantity of heat which it must definitively give up during its cycle and during from which it compresses and receives 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 in which Kelvin temperatures are equal to at least 0.95 times and at most 1.1 times the critical temperature, and lower than the maximum temperature 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 amount of heat intended for the production of motive force can come from any source. For example, its initial temperature can be equal to the existing maximum temperature and then this temperature can be lowered before it is or while it is transferred to the working fluid to a value that the materials to be considered in the production of the driving force can endure.
The source of this amount of heat can also be the acceptable temperature, but more often a higher fraction of the temperature drop, which in itself results from the drop in the temperature of the surrounding environment, will have to remain unused when the force power is produced by means of an intermittent cycle (eg a piston engine) and even more so when the cycle is stationary (eg a steam or gas turbine). To take account of the resistance of the materials, the upper temperature is then limited to approximately 900 K and there is a drop in temperature up to the temperature up to the temperature of the surrounding environment, of approximately 290 K per example.
By utilizing this temperature drop as fully as possible, the greatest possible amount of driving force is obtained, ie the most advantageous efficiency. An effort must therefore be made to isothermally supplying heat to the working fluid as well as subtracting heat from this fluid.
Isotherms, which are at the same time isobars, are found in the zone of the "semi-liquid" state of bodies (partly in the liquid state and partly in the vapor state) .
However, there is no known body capable of serving as a motor fluid, the semi-liquid zone of which makes it possible in practice to carry out a cycle which operates between an isobar-isotherm corresponding to a temperature above 900 K and another isobar- isothermal corresponding to a lower temperature of 290 K. Bodies with a high critical temperature, and in particular greater than 900 K, generally have too high a boiling point and their condensation at a temperature of 290 K would require a vacuum too close to absolute vacuum, so that the low pressure part and the condenser of the circuit should have dimensions that are much too large.
On the contrary, the bodies which can condense practically at a temperature of 2900K (although also sometimes, like for example water, with still very large dimensions of the low pressure part and of the condenser) generally have too low a critical temperature, so that, for example in the case of water (critical temperature of about 647 K) about half of the temperature drop reported
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laying between 900 and 290 K, should remain unused.
To reduce these losses, it was necessary to forgo the isothermal heat input in the steam machine and resort to superheating to use thus, although partially and for only a part of the quantity. of heat input, the fraction of the temperature drop greater than the vaporization temperature and which has not been used until then. The recommended multi-fluid steam engines, for example mercury vapor and water vapor, would in themselves allow the entire temperature drop to be utilized, but so far have not been successful. to prevail in practice.
In the case of the steam cycle it is therefore possible to subtract the heat isothermally (however with a low pressure part and a very large condenser), but with regard to the heat input we have to to give up a priori to carry out the most advantageous cycle from the thermodynamic point of view.
Likewise, in the case of the gas cycle (for example of the gas turbine) it was necessary to deviate from the most advantageous cycle from a theoretical point of view. Unlike bodies in the semi-liquid state, there are many bodies in the gaseous state, which make it possible to travel in the form of motor fluid a cycle between the temperatures of 900 and 290 K. However, we have been obliged to deviate from it, because an isotherm cannot be achieved with a gas, since it would require that the heat input be effected with simultaneous expansion and the heat withdrawal with simultaneous compression.
In practice, it follows that we can only approach an isotherm, thus having to provide for the upper isotherm a turbine with a number of intermediate heating stages as large as possible and for the lower isotherm a compressor with as large a number of intermediate cooling stages as possible, multistage machines of this nature are expensive and bulky and above all complicated and themselves give rise to additional losses. From a certain number of stages, these losses become so considerable that they nullify the theoretical improvement to be envisaged or even more than compensate for it. The number of possible stages is thus limited and the deviation from the envisaged isotherm increases.
However, this solution has the advantage, compared with the steam cycle, of causing all of the heat from the source to arrive at high temperature, while in the case of the steam cycle a generally quite large portion of this heat must be supplied following the vaporization isotherm at a significantly lower temperature, that is to say with a much greater loss compared to the available temperature drop. But on the other hand it has the drawback of not allowing the heat to be isothermally removed. The heat exchange with the cooling fluid therefore gives rise to losses in relation to the temperature drop, similar to those of the heat exchange with the heating fluid.
In addition, the power of the compressor required for the substantially adiabatic compression of the gaseous working fluid is theoretically already very large compared to the motive force that it is possible to produce. These losses therefore reduce the driving force produced very markedly, although the losses of an adiabatic compressor of this type may be lower in relation to its power than those of a compressor with several intercoolers, given that this motive force is only collected in the form of the difference between the power of the turbine and that of the compressor. In contrast, in the steam engine, the compression takes place in the liquid state, which makes it possible to make the compressor power negligible.
With the aim of reducing or eliminating the drawbacks presented on the one hand by the steam cycle and on the other hand by the gas cycle, the invention consists in replacing this single unfavorable subtraction of heat, at by means of at least one posterior circuit mounted in a special way and of a special form of construction, by several advantageous exchanges of heat, by involving the posterior circuit itself in the production of the motive force .
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It emerges from the list given below by way of example of a certain number of known bodies that these bodies are already susceptible as motive fluids in the process according to the invention and in the process according to the invention and in the plant for the production of thermal motive force containing, in the application of this process, to operate in the critical temperature range considered, and allow by choosing between them to take into account other considerations, for example - full of risks of decomposition, explosion, corrosion, as well as physiological.
In particular with regard to these risks, the products which deserve to be taken into consideration first are those which are designated in the trade under the name of "freons" and which are fluorochlorinated derivatives of methane (see "the thermal properties of all the derri-
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fluoro-chlorinated compounds of methane ", by G. Seger, published in appendix n 13194z of the journal" Zeitschrift des Vereins deutscher Chemiker ", as well as' fluoro-chlorinated derivatives of saturated hydrocarbons and their possible applications.
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bles in the art "by Prof. Dr. R. Plank in" Annex No. 44, 1942 of the journal TZeitschrift des Vereins deutscher Chemiker "), the enumeration of which contains only two examples.
The list given below first includes the name of the bodies classified according to their critical temperature, possibly followed by their chemical formula in parentheses, then by their approximate critical temperature in degrees Kelvin: Ozone 268, ethylene 282, xenon 289, carbon dioxide 304, ethane 308, acetylene 308, nitrous oxide (N20) 309, methyl fluoride (CH3F) 318, hydrochloric acid (HG1) 324, hydrogen phosphide (PH3) 325, hexafluoride sulfur (SF6) 333, hydrobromic acid (HBr) 363, propylene 365, propane 70,
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hydrogen sulfide 373, carbonyl sulfide (COS) 378, "freon 12" (GC1 F2) 384, "freon C, 318u 388, dimethyl ether (C2H60) 400, cyanogen 401, ammonia 405, isobutane (C4ÉlO)
406, methyl chloride (cE3cl) 416, chlorine 417, methylamine (CH5N) 430, sulfur dioxide 430, dimethylamine (02H7N) 437, nitrosyl chloride (NOcl) 438, ethylamine 456, n-pentane 470, diethylamine 500, ethyl alcohol (C2H60) 516, n-heptane 540, benzol (C6H6) 561, bro-
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me 583, toluol (C7H8) 593, acetic acid 594. kg / cm2. For comparison: Water 647 K with critical pressure of 225 kg / cm2.
The figures corresponding to water indicated at the end of the enumeration show that and why water cannot be considered as motive fluid in the cycle according to the invention. Indeed, the critical pressure of water is so high that if we exceed the critical temperature for the entropy of the critical point, as not only can it happen in the cycle according to the invention, but also that we must s In attempting to do so in a preferably selected embodiment of this cycle, the water pressure is brought to a pressure strong enough to give rise to practical difficulties which at the present time seem insurmountable. Motor fluids satisfying the conditions prescribed according to the invention can also be obtained by mixtures.
It may be advantageous to arrange the cycle and to choose at least for the posterior circuit a driving fluid, that is to say to provide at least for the posterior circuit of the installation for producing thermal motive power a fluid engine and to regulate the temperatures and pressures so that at least at normal power, this fluid enters at least, while it is subtracted from it the quantity of heat which must be definitively withdrawn from the cycle, in a zone in which it is in a semi-liquid state, and that consequently its "specific heat at constant pressure" is infinite, and that while the quantity of heat which must be
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ceded is transmitted to it, this gluid passes through states in which its specific heat at constant pressure "is finite,
the average value of this specific heat calculated in an interval of 20 K being at most four times greater than the average value of the expression -dQ / dT of the heat exchange, calculated in the same interval of temperature, dQ denoting
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the quantity of heat transmitted per unit of weight to the working fluid by the heating fluid used in this temperature interval, while the temperature of the heating fluid varies by the differential value -dT.
By following this prescription, one facilitates among other things the "correction of detail" of the heat exchange which occurs between the anterior and posterior circuits:
By choosing in an appropriate way the ratio between the quantities of the driving fluid of the anterior and posterior circuits, which constitute the components of the heat exchange between the two circuits as heating and cooling fluids, it It is necessary to make it undergo a "global correction" so that the quantity of heat absorbed by the posterior circuit is equal to that which the previous circuit must yield between the temperature limits provided. It may then be advantageous to then carry out the aforementioned "detail correction."
If it is desired to achieve a heat exchange between two components against the current while minimizing the losses compared to the drop in temperature available, it must be ensured that while a differential quantity of heat is transmitted by the component which gives it to the component which receives it in a differential element of the path of the flow, the temperature of the first decreases as much as possible by the same number of degrees as that of the second rises. Otherwise the temperatures of the two components diverge giving rise to losses in relation to the available temperature drop and these losses can only be accepted to a limited extent.
A lossless heat exchange between a finite component of "specific heat at constant pressure" (termed for short "specific heat") and another component which absorbs or transfers a relatively large quantity of heat at infinite specific heat, ie That is, a component which during the exchange of a relatively large quantity of heat is in the isobaric semi-liquid state is therefore impractical. A "detail correction" is also practically impracticable in this case, because as has already been said, an isotherm is practically not practicable in a gas, ie in a finite specific heat component. , since, as has been said, the losses become so considerable that they nullify the theoretical improvement to be considered or even more than compensate for it.
On the contrary, if the prescriptions of the invention are followed concerning the choice of the driving fluid and the arrangement of the cycle, it is possible to make the temperature variations of one component correspond to those of the other so as to make the "detail correction" achievable.
Using the T / S (temperature / entropy) diagrams which will be used later for the description of the embodiments of the invention, it is possible to determine the specific heats which are important for this purpose according to the following considerations:
Let Q be the quantity of heat per unit of weight, S the entropy, T the Kelvin temperature, cp the specific heat at constant pressure, called for short specific heat, we have the following known differential equations: dQ: cp. dT and dS - dQ / T from which we derive: dT / dS = T / cp or in other words: the inclination of the isobar of the T / S diagram is directly proportional to the Kelvin temperature and vice versa proportional to specific heat.
In order to carry out the "detail correction", it is possible, before the heat exchange is completed, to transmit to one of the components at least a certain quantity of mechanical energy, for example by means of at least one compressor. . Before the heat exchange is complete, it is possible to vary the quantity of at least one of the components entering the heat exchanger. This result can be obtained by means of a derivation.
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The partial quantity derived from the component can be treated separately, for example compressing it separately at least at one stage or expanding it and, optionally after adding or subtracting heat, reintroducing it into the circuit or removing it definitively. Before the heat exchange is complete, it is possible to make additional heat arrive at at least one of the components. This additional heat input can also be obtained by chemical transformation of the component.
The embodiments given below make it possible to better understand the principle of the invention, the cycle which forms the subject of the installation for producing thermal motive force according to the invention which is suitable for its application. Figs. 1, 3, 5, 7, 9 and 11 of the accompanying drawings represent in the form of T / S diagrams (temperature / entropy) the cycle according to the invention and FIGS. 2, 4, 6, 8 and 10, in schematic form, of embodiments of the installation for producing thermal motive force, the example of FIG. 2 suitable for the application of the cycle of FIG. 1, that of FIG. 4 to that of the cycle of FIG. 3 etc ...
The T / S diagrams are also represented in diagrammatic form, given that in order to show the heat exchange phenomena more clearly, the cycles represented have been shifted with respect to each other in the direction of the entropies S. It should also be noted that the quantities by weight of the working fluid which circulate in the circuits shown are not the same and that consequently the figures do not correspond to 1 kg of working fluid, but already include at least an approximate "global correction".
On the diagrams K represents the critical point, L the limit curve on the left side and R the limit curve on the right side of the motive fluid chosen in the circuit considered; moreover in fig. 1 and 11 we have designated for this fluid by: 1 the isotherm corresponding to 0.95 times the critical temperature, 2 that which corresponds to 1.1 times the critical temperature, 3 the isobar of the vaporization pressure tion, which corresponds to 0.95 times the critical temperature and / isobar of 10 times the absolute critical pressure. The zone of state variations limited by curves 1 to 4 is highlighted by hatching.
According to fig. 1 and 2, the anterior circuit is designated by the numbers to 13 and the posterior circuit by the numbers 14 to 18. The anterior circuit is a gas circuit, open with respect to the atmosphere., And the driving fluid of the posterior circuit closed is "freon 12". The anterior circuit receives the heat which must be transmitted to it from the outside according to the portion of isobar 5-6. A combustion chamber 20 serves for this purpose and it receives through a pipe 21 fuel which burns in the hearth 22 inside the working fluid which consequently undergoes a chemical transformation. It expands along the curve 6-7 in the turbine 23 providing work. A certain amount of heat is subtracted along the curve 7-8 in the heat exchanger 24.
A certain amount of heat is transmitted along the isobar portion 8-10 in the heat exchanger 25 to the subsequent circuit. A certain quantity of heat is dissipated in the surrounding environment following the interrupted path 10-11.
For this purpose, the working fluid escapes to the outside at point 10 through an exhaust pipe 26 and fresh fluid is sucked into the atmosphere through an intake pipe 27. The intake and exhaust pipes thus form a device for cooling the prior circuit. The fresh fluid sucked into the atmosphere undergoes compression according to curve 11- 13, by means of compressor 28, then receives according to isobar 13-5, by means of the heat exchanger the quantity of heat which it receives. was subtracted, following curve 7-8.
The posterior circuit receives according to isobar 14-15 by means of heat exchanger 25, the heat which must be transmitted to it and which comes from curve 8-10 of the previous circuit. The fluid expands along curve 15-16 by means of the impeller. 23, providing work.
The heat which is to be permanently removed is transmitted to a neighboring coolant by means of the refrigerant 30, according to isobar 16-18. The fluid undergoes compression along curve 18-14 by means of a compressor 31, which may also consist of a pump.
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Heat exchange between the previous circuit (curve 8-10)
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and the posterior circuit (curve H-15) <undergoes a "global correction", by choosing in an appropriate manner the quantities of motor fluid which circulates on the one hand, in the anterior circuit and, on the other hand, in the posterior circuit. As we can see, it is possible to do
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take from isobar 14-] 2 which crosses the hatched state zone, bounded by curves 1 to ¯4, a shape which corresponds relatively well to that of isobar 8-10.
However, there are deviations in the middle of isobar 14-] 2: whereas from point ±, the inclination of this isobar firstly indicates that the specific heat is still more or less constant, l The isobar becomes more and more flattened, thus indicating that the specific value has increased until, in the vicinity of point] 2, it decreases again and becomes substantially constant again. On the other hand, the specific heat remains more or less constant over the entire length of isobar 8-10.
It may therefore be appropriate to further subject the heat exchange to a "detail correction". To this end, as shown in fig. 1 in dotted lines, it is possible to derive, for example at point ¯9, a portion of the component of the previous circuit and to compress it by a compressor, not shown in fig. 2, up to point 19, then subtract from this derived portion, according to isobar 19-12, by means of a heat exchanger, also not shown in FIG. 2, a certain quantity of heat and transmit it to the other component of the posterior circuit before the heat exchange is completed and in particular following the more flattened portion of the i.
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sobare 1,, 4-; which consequently corresponds to a greater specific heat.
In addition, the quantity of the component of the prior circuit which enters into heat exchange varies, given that from point 8 the total quantity first enters into heat exchange and then increases by the derivative portion. , then from point ¯9 becomes again equal to the total quantity, to finally decrease in the neighborhood = of point 10 and become again equal to the total quantity minus the derived portion. The branched portion can be reintroduced into the circuit prior to point 12 and circulate there again. Given that this portion is small 31, there is no drawback in recirculating it, for example in the combustion chamber 22.
The machine which uses the motive force produced by the thermal installation has been chosen as an example in fig. 2 in the form of an electric generator 32.
Another motor fluid, for example carbon dioxide, can also be chosen for the subsequent circuit, taking into account the requirements according to the invention.
Figs. 3 and 4 show a cycle and an installation which, in a sense, constitute a variant of FIGS. 1 and 2. The anterior circuit
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designated by the numbers .33 to 40, is as above a gas circuit but a closed circuit, which makes it possible to choose any gas as motive fluid. The driving fluid of the posterior circuit is as above.
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freon 12. This circuit is designated by Nos. 41 to 47. The fluid of the previous circuit receives the heat which must be transmitted to it from the outside.
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laughter according to isobar 33-3. The heating device is a gas heater 48, heated by a hearth 49, and which may include a recuperator 50 as well as a suction fan 51. The fluid expands. in the z2 turbine by providing work along the curve .3-5 ..
A certain quantity of heat is subtracted from the working fluid expanded by the heat exchanger .2J according to isobar 12-16. An additional quantity of heat is subtracted according to isobars 1Q-ïZ and 31- by the heat exchangers. respective heat 5.k and 55 and is transmitted to the posterior circuit. The quantity of heat to be definitively dissipated is subtracted according to the iso-, bkre] g- 3.2 in a refrigerant # by means of a refrigerant fluid taken from the surrounding environment. The working fluid is compressed in the
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compressor -5: 1. according to the 3-AO curve, then enters the tube bundle of the heat exchanger .23 and receives there according to the isobar lill-TI the quantity of heat which has been withdrawn from it previously according to the isoba-
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re 3.2-1Q.
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The heat which must be brought to the posterior circuit is
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transmitted to the motor fluid following the curve ¯41-¯l J *. The driving fluid expands in the turbine I by providing work according to the curve M, - 45 and the heat which must be definitively subtracted is absorbed in the refrigerant 59 by means of a refrigerating fluid taken from the medium
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surrounding along the curve iI: 2-j; 1. The fluid undergoes compression by means of the compressor 60 along the curve l-1,, 1.
By choosing in an appropriate manner the quantities of engine fluid circulating, on the one hand, in the anterior circuit, and on the other hand, in the posterior circuit, it is possible, as previously, to subject a "global correction". to spare heat that occurs between the iso-
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bare 36-38 of the anterior circuit and the curve l..l-1 of the posterior circuit.
To also subject this heat exchange to a "correction of detail" the working fluid of the posterior circuit undergoes a compression at the middle.
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en of a compressor 61 following the curve Z.2-3. thus receiving mechanical energy and consequently the pressures, as well as in particular the temperatures of the 3-Z isobar. are higher than they correspond- temperatures ¯4-¯4à are higher qt! -e if they correspond to the extension of the isobar -L2. It is thus possible to decrease the difference between the temperature of the heat-absorbing heat exchange component according to curve 1.2 -! .- and the temperature of the heat-releasing component according to curve 32-32. -38.
The heat exchanger 22 thus transmits the heat subtracted according to isobar 37-38 to the posterior circuit according to isobar 42 and the heat exchanger! 2k transmits the heat subtracted according to isobar 36- 37 to the posterior circuit following
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before the isobar ¯42-¯Ikà. Another advantageous consequence of this "detail correction" is that the ± µ- ± fi isobar becomes shorter than the 16-17 isobar of FIG. 1. Consequently, almost all of the heat to be permanently dissipated along curve 45-47 can be isothermally subtracted. As previously, it is possible to choose for the rear circuit, taking into account the requirements according to the invention, another engine fluid, for example carbon dioxide.
The machine which uses the motive force produced is as before, by way of example, an electric generator 32.
The anterior circuit of FIGS. 5 and 6 is a partially closed circuit, the closed portion of which is designated by Nos. 62 to 68 and
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the open portion is designated by the curve 62-69-70-71-72-73 as well as by the curve $ ± -µ ±. The driving fluid of the posterior circuit which is designated by Nos. 12 to 81, is as previously the freon 12. At point 62 a bypass 82 separates from the permanently open portion of the anterior circuit.
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a fraction, which is heated according to the isobar 62- µplQ by a combustion chamber 83 through which the working fluid passes.
This heating can be pushed up to a temperature which, at point 70, is appreciably higher than that to which the materials can withstand and which corresponds roughly to the temperature of points 62 and 71. Indeed, the pre-fraction
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vee circulates according to isobar 1Q-11 in the exchanger in exchange for heat with the driving fluid of the portion closed on itself which follows the i
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sobare ¯2-b 2. But the two components of this heat exchange which follow the same isobar are at the same pressure and, consequently, the tubular bundle of this heat exchanger 84 does not undergo any mechanical force.
The driving fluid of the portion closed on itself, thus heated up to point 63. then expands in the turbine 85 providing work,
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according to the curve .Q3-, then the heat exchanger 86 subtracts heat from it according to the isobar .6-6. A heat exchanger which contains three bundles 87, z8 and 19, subtracted from the fluid, according to the isobar f: i2 .-. Q.Q, a new quantity of heat, which is transmitted to the posterior circuit. Finally, the refrigerant 90 subtracts from the working fluid the quantity of heat which
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must be definitively subtracted according to the µfi6-µ7 isobar by means of a cooling fluid which comes from the surrounding environment.
The motor fluid undergoes compression in the compressor 91 along the curve 67-68. then receives in the compressed state in the heat exchanger 86 - according to the iso-
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bare 6-62 the heat which was subtracted from it following the curve fik-fJ. 2. The motor fluid of the open portion of the anterior circuit expands according to
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the curve 71-72 in the turbines 92 and 92 'while providing work and then transfers additional heat to the posterior circuit in the heat exchanger 93 according to the isobar 72-73.
The sampled fraction escapes into the atmosphere at point 73 through an exhaust pipe 94 and at point 74 an intake pipe 95 sucks a quantity of fresh motor fluid from the atmosphere which replaces the sampled fraction, this fluid is compressed in a supercharger 96 along the curve 74-65 and at point 65 arrives through an orifice 97 in the portion closed on itself of the prior circuit.
The posterior circuit receives, according to isobar 75-78, the heat which must be transmitted to it; the fluid expands in the turbine 98 providing work, following the curve 78-79, then following the curve 79-81 the refrigerant 99 subtracts the quantity of heat which must be definitively subtracted by means of a cooling fluid that comes from the surrounding environment. The fluid is compressed by means of the compressor 100 along the curve 81-75.
The heat exchange between the isobar 65-66 of the anterior circuit and the isobar 75-78 of the posterior circuit takes place in the wire heat exchangers, 88, 89, and we do so, as before, by choosing appropriately the quantities of the driving fluid which circulate in the anterior circuit and in the posterior circuit, that this heat exchange undergo a "global correction" by including therein the quantity of heat exchanged in addition according to the isobar 72 -73. The "detail correction" is made because the heat absorbing component of the heat exchange following isobar 76-77 as well as the portion of isobar 12-la of particularly flattened shape and correspondingly corresponding at particularly high specific heat, receives additional heat.
This additional heat is transmitted to the heat absorbing component first in the tube bundle 89 following ¯ curve 75-76 from isobar 65-66, then the current of the heat absorbing component branches off at the point 101. Part of the current passes through tube bundle 88 and receives heat from isobar 65-66 and another part of the current passes through heat exchanger ± in which it receives additional heat. heat subtracted along curve 72-75 from the motive fluid of the open portion of the prior circuit. (Curve 76-77). Finally, the fractions of the aforementioned component which are again united by an orifice 102, circulate in the tube bundle 87 in which the component receives along the curve 77-78 only the heat which comes from the curve. 65-66.
As previously, it is possible to choose for the subsequent circuit, taking into account the requirements according to the invention, another motor fluid, for example carbon dioxide.
The machine which uses the motive force thus produced is in the present case a propeller 103, which receives its movement by means of a toothed transmission 104. An electric machine 105 is coupled with the turbine 85 and the compressor 91 and can be used. to make up for any power deficit, and to convert any excess power into electrical energy.
The cycle and installation of fig. 6 and 5 still have other particular advantages. In fact, it can happen in an installation in which the working fluid undergoes a chemical transformation in the heating device (for example by combustion of a fuel in the working fluid), that acids are formed as soon as the temperature of the fluid is reached. engine. thus modified becomes less than a certain value. This is why, in the case of an open circuit, for example of the cycle of FIG. 1, the heat lost from the anterior circuit should only be used by means of the posterior circuit up to. a lower temperature limit, and parts of the circuit must be constructed of acid-resistant and therefore particularly expensive materials, if the fuel contains acid-forming elements, for example sulfur.
On the contrary, in the case of the cycle of FIG. 5, the portion closed on itself of the anterior circuit
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laughter is traversed by air and therefore the heat can be used up to a temperature substantially equal to that of the surrounding environment.
The thread point of FIG. 5 therefore corresponds to a temperature appreciably lower than the point 73 where the working fluid chemically transformed by the combustion must escape into the atmosphere. But the quantity of fluid which escapes into the atmosphere at point 73 is much smaller than that which circulates in the portion closed on itself of the previous circuit, that is to say the quantity of driving fluid which circulates also in point 66, so that the advantage is obtained for the major part (and a lot) of the working fluid.
Another advantage consists in the possibility of dispensing with an intermediate cooling of the supercharger 96, as well as of the compressor 91, given that the heat which would be unnecessarily dissipated in the surrounding environment by intermediate refrigerants is usefully transmitted to the subsequent circuit. by heat exchangers 86 to 89.
The driving fluid of the anterior and posterior circuits of the exemplary embodiment of FIGS. 7 and 8 is carbon dioxide. The use of carbon dioxide in the prior circuit provides, among others, the advantage of making the compressor power relatively low, as well as, for a given power and a given number of month-kilograms circulating by second, the ratio between the upper and lower pressures of the circuit, as well as the number of stages required in the turbine and the compressor.
The anterior circuit is designated by the numbers 106 to 113 and the posterior circuit by 114 to 120. The power supplied being normal, the upper pressure of the anterior circuit (isobar 113-107) can for example be approximately 70 kg / cm2, the lower pressure (isobar 108-112) of approximately 12 kg / cm2 the upper pressure of the posterior circuit (isobar 114-116) of approximately 160 kg / cm2 and the lower pressure (isobar @ -120) of approximately 65 kg / cm2.
The heat to be supplied to the previous circuit is transmitted to the engine fluid according to the curve 106-107 by means of the gas heater 121. The gas heater is equipped with a combustion chamber 122 and may include a gas heater. recuperator 123 and a suction draft fan 124. The fluid expands along the curve 107-108 in the turbine 125 providing work, a certain quantity of heat is withdrawn from it in the heat exchanger 126 according to the isobar 108-109. A certain quantity of heat is withdrawn according to the portions of isobars 109-110 and 110-111 in the heat exchangers 127 and 128 and is transmitted to the subsequent circuit.
The quantity of heat to be permanently subtracted is subtracted according to isobar 111-112 in the refrigerant 129 by means of a cooling fluid coming from the surrounding medium. The fluid undergoes compression in the compressor 130 along the curve 112- Il'3. The heat subtracted from the driving fluid according to isobar 108-109 is returned to it in heat exchanger 126 according to isobar II] -106.
In the posterior circuit, the heat which has been subtracted in the upper circuit according to isobars 111-110 and 110-109 is transmitted to the working fluid of the lower circuit according to isobars 114-115 and 115-116 in the heat exchangers 128 and 127. The working fluid expands in the turbine 131 providing work along the curve 116-117. A certain quantity of heat is subtracted from it according to isobar 117-118 in the heat exchanger 132 and is transmitted back to the working fluid in the form of additional heat according to the curve 114-115, thus achieving a "correction of detail "of the heat exchange between the two circuits.
The heat to be permanently subtracted is subtracted in the refrigerant 135 according to isobar 118-120 by means of a cooling fluid coming from the surrounding environment. The working fluid undergoes compression in the compressor 134 along the curve 120-114. The machine which uses the power supplied is as above by way of example an electric generator 32.
The prior circuit of the exemplary embodiment of FIGS. 9 and 10 is an open circuit and the driving fluid of the posterior circuit is the
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freon 12. The anterior circuit is designated by the numbers 135 to 145 and the posterior circuit by the numbers 146 to 152. The heat to be brought to the anterior circuit is transmitted to it by the combustion chamber 153 according to isobar 135-136 that is to say with chemical transformation of the driving fluid. This expands in the turbine 154 providing work along the curve 136-137.
A certain quantity of heat is subtracted from it according to isobar 137-138 in the heat exchanger 155. Quantities of heat are subtracted according to the curve 138-139 in the heat exchanger 156 and according to isobar 139-140 in the heat exchanger 157 and are transmitted to the subsequent circuit. The working fluid from the previous circuit escapes into the atmosphere at point 140 through an exhaust pipe 158. The fresh fluid is drawn into the atmosphere at point 141 through an inlet pipe 159 and compressed at a first stage by means of the compressor 160 following the curve 141-142.
A certain quantity of heat is withdrawn following isobar 142-143 in heat exchanger 161 and following isobar 143-144 in heat exchanger 162 and is transmitted to the subsequent circuit.
The working fluid undergoes compression at a second stage in the compressor 163 along the curve 144-145 at the final higher pressure of the previous circuit. The heat which was subtracted from it according to isobar 137-138 in the heat exchanger 155 is returned to it according to the isobar The heat subtracted according to isobar 143-144 is transmitted to the posterior circuit according to isobar 146-147 by means of the heat exchanger 162.
The quantities of heat subtracted according to isobar 139-140 as well as according to isobar 142-143 are transmitted according to isobar 147-148 by means of the heat exchangers 157 and '161. The heat subtracted according to isobar 138- 139 is transmitted according to isobar 148-149 in the heat exchanger 156. The exchanges which take place according to isobars 146-147-148-149 carry out a "detail correction" of the exchange of each. between the two circuits, given that a supply of heat (and consequently additional) takes place along the curve 147-148 corresponding to a relatively large specific heat (indicated by the slight inclination of this curve) coming from of isobar 139-140 as well as at the same time of isobar 142-143.
Another advantage of this device consists in the possibility of allowing the working fluid chemically transformed in the combustion chamber 153 to escape into the atmosphere from point 140, that is to say at a still temperature. relatively high, which is why acid-forming fuels, for example sulphurous fuels, can be burnt in the combustion chamber 153 without these acids being able to damage any parts of the plant in any way. The resulting deficit for the heat exchange according to isobar 146-147 is filled by an additional heat input according to isobar 143-144.
The compression which takes place in the previous circuit, at the first stage following curve 141-142, and at the second stage following curve 144- is therefore carried out with intermediate cooling (isobar 142-144) but the heat subtracted for intermediate cooling does not dissipate as usual unnecessarily in the surrounding environment, and on the contrary is usefully transmitted to the posterior circuit. The working fluid expands in the posterior circuit following the curve 149-150 in the turbine 164, providing work. The heat to be permanently removed is withdrawn according to isobar 150-152 in the refrigerant 165 by means of a cooling fluid coming from the surrounding environment. The motive fluid compresses in the compressor 166 along the curve 152-146.
As previously, another motor fluid, for example carbon dioxide, can be chosen for the posterior circuit, taking the descriptions according to the invention cor- rectly.
Fig. 11 indicates how more than x circuits can be arranged in series. It comprises three circuits a, b and .Ç, among which the circuit a can be considered as being the anterior circuit, preceding the posterior circuit b, which can be considered as the anterior circuit preceding the posterior circuit c. The circuit a can be a closed gas circuit., The circuit b comprises, by way of motive fluid, for example
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ple sulfur dioxide SO2 and the circuit has for example freon C-138.
The driving fluids of at least circuits b and c are fluids whose critical temperature is equal to at least 260 K and at most 620 K.
As can be seen from the diagram, these fluids are chosen for circuits b and c and the cycle is arranged so as to coincide for the posterior circuit at least part of the period during which the motor fluid is compressed and during which it receives the quantity of heat which must be transmitted to it, and on the contrary for the previous circuit at least part of the period during which is subtracted from the driving fluid the quantity of heat which it must definitively give up during its cycle, and during which it is compressed 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 in which the Kelvin temperatures are equal to at least 0, 95 times and at most to 1,
1 times the critical temperature and below the maximum temperature of the cycle and in which the absolute pressures are equal at least to the vaporization pressure corresponding to 0.95 times the critical temperature and at most 10 times the critical pressure.
As can still be seen, it is possible, taking into account the foregoing prescriptions, to make the gas isobar 169-170 and the isobar 167-168 already correspond sufficiently so that the "detail correction" of the heat exchange that occurs between circuits a and b is unnecessary. In addition, the correspondence between isobars 171-172 and 173-174 of the heat exchange between circuits b and c is relatively satisfactory; however the heat exchange can be further improved by a "detail correction".
The remainder of the figure needs no further explanation, as it makes sense on its own from the cycles and installations described above.
As can be seen from FIGS. 2, 4, 6, 8 and 10, the way in which the turbines and compressors of the installation transmit power to each other or transmit it to the outside or receive it from each other or from the outside can be very different. The choice of this transmission mode depends on the cycle and the installation envisaged. The compressors 31 in fig. 2; 60 of fig. 4, 100 of fig. 6 and 166 of fig. 10 do not have a control in the figures, because the power required for them is so low that they can be operated in any way at will.