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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.