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INSTALLATION DE TURBINE A GAZ.
L'invention concerne une installation de turbine à gaz en cycle fermé, c'est-à-dire une installation dans laquelle la totalité ou la presque totalité du fluide moteur de la turbine circule en circuit fermé et ne se mé- lange pas avec des produits de combustion. Le fluide moteur des installations de ce type est habituellement chauffé en le fisant passer dans les tubes d'un réchauffeur d'air, chauffés eux-mêmes par des produits de combustion,, Ces tu- besdu réchauffeur d'air subissent donc d'un côté l'action de températures très élevées et risquent de se brûler à moins qu'ils ne soient en aciers ré- sistants à chaud, coûteux,, De plus lorsqu'on utilise des combustibles de qua- lité inférieure, par exemple, les produits pétroliers connus sous le nom de fuels résiduels,
le réchauffeur d'air est encrassé rapidement par les matières déposées par les produits de combustion. Il est donc nécessaire d'entrepren- dre l'opération coûteuse de remplacement et/ou de nettoyer les tubes de temps en tempso
L'invention a pour objet une installation de turbine à gaz à cy- cle fermé, dans laquelle les difficultés précitées sont évitées et qu'on peut faire fonctionner d'une manière satisfaisante avec des combustibles de quali- té inférieure.
Suivant l'invention, le fluide moteur d'une turbine à gaz à cy- cle fermé est chauffé par un dispositif qui comprend un récipient de chauffa- ge contenant une charge d'éléments réfractaires de dimensions et de forme lui permettant de s'écouler, mais permettant au gaz de la traverser, un réci- pient d'échange de chaleur contenant également une charge de ces éléments ré- fractaires et communiquant à son extrémité supérieure avec l'extrémité infé- rieure du récipient de chauffage par l'intermédiaire d'un conduit de section réduite, qui permet aux dits éléments réfractaires de s'écouler par leur pro- pre poids du récipient de chauffage dans le récipient d'échange de chaleur, un appareil pour brûler du combustible et faire passer les produits chauds de la combustion dans le récipient de chauffage,
et un dispositif pour la cir-
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culation continue des éléments réfractaires de la partie inférieure du ré- cipient d'échange de chaleur à la partie supérieure du récipient de chauffage, le récipient d'échange de chaleur comportant un conduit de sortie communiquant avec l'admission de la turbine à gaz et un conduit d'entrée communiquant avec le refoulement d'un compresseur alimentant la turbine en fluide moteur. Les dits éléments réfractaires seront désignés ci-après pour simplifier et à ti- tre d'indication des dimensions et de la forme qui conviennent, sous le nom de "cailloux". Cette désignation ne doit pas cependant être considérée comme impliquant une restriction au point de vue de la composition, des dimensions ou de la forme.
Le dispositif décrit ci-dessus est connu en soi, quoique non connu en combinaison avec les turbines à gaz, et sert au chauffage de gaz, par exemple l'air d'alimentation des hauts fourneaux.
Il est avantageux pour réduire les dimensions d'une installation de turbine à gaz à cycle fermé, de la faire fonctionner au moyen d'un fluide moteur dont la pression moyenne est très supérieure à la pression atmosphéri- que, par exemple de 50 à 70 atmosphèreso Lorsque de telles pressions sont mises en jeu, il est nécessaire de prendre des précautions pour empêcher le fluide moteur de passer du récipient d'échange de chaleur dans le récipient de chauffage. A cet effet on peut faire fonctionner le récipient de chauffage à une pression égale ou légèrement supérieure à celle du fluide moteur dans le récipient d'échange de chaleur:, C'est ainsi que, par exemple, l'air de combustion peut être comprimé à l'aide d'une turbine actionnée par les pro- duits de combustion une fois sortis du récipient de chauffage.
Mais cette solution peut nécessiter la fourniture d'un travail extérieur -en raison de la haute pression à laquelle l'air doit être comprimé. On préfère donc avoir recours à l'étranglement exercé par le conduit de section réduite disposé entre le récipient de chauffage et le récipient d'échange de chaleur.
Dans ce but, par exemple, le conduit de section réduite peut être aussi long et étroit que possible, tout en permettant aux cailloux d'y pas- ser. Si la longueur du conduit qu'il est possible d'employer commodément est insuffisante pour empêcher un écoulement marqué du fluide moteur du récipient d'échange de chaleur dans le récipient de chauffage, on peut disposer dans le conduit à section réduite une soupape permettant le passage des cailloux, mais non celui du fluide moteur par exemple, une soupape rotativeo La possi- bilité d'empêcher les fuites dépend des dimensions du conduit de section ré- duite et de l'étanchéité de la soupape au passage des gaz, et dans certains cas,
il peut être avantageux de combiner l'emploi d'une soupape incomplète- ment étanche au passage des gaz avec celui d'un conduit de section réduite suffisamment long pour compenser l'insuffisance d'efficacité de-la soupape.
La soupape doit fonctionner à haute température et il est avantageux de la refroidir par circulation d'eau.
Tine forme préférable de réalisation de l'invention est représen- tée à titre d'exemple sur le dessin ci-joint, qui donne une élévation avec coupe partielle du dispositif de chauffage des gaz, accompagné d'une installa- tion de turbine à gaz représentée schématiquement.
Sur le dessin,1 désigne le récipient de chauffage et 2 le réci- pient d'échange de chaleura Les deux récipients sont sensiblement pleins de petits éléments réfractaires dénommés ici, "cailloux", en matière susceptible de résister aux températures élevées mises en jeu, et à l'attaque chimique des produits chauds de combustion. De même la chaleur spécifique de cette matière doit être aussi élevée que possible pour diminuer les dimensions du disposi- tif. Une matière convenant à cet effet est par exemple le carbure de silicium ou l'alumine fondue.
Les récipients 1 et 2 communiquant par un conduit de section ré- duite 3 contenant une soupape rotative qui comporte une enveloppe 4 et un élé- ment de soupape 5 compartimenté suivant des secteurs 6. Le conduit 3 pénètre sur une courte distance dans le récipient 2 de fagon à offrir aux gaz le tra- versant, une surface de dégagement de grande étendue au-dessus des cailloux.
L'élément de soupape 5 peut tourner dans l'enveloppe 4 et s'y ajuste en for- mant un joint sensiblement étanche au passage du gaz. L'élément de soupape et l'enveloppe comportent chacun des canaux de circulation d'eau de refroidisse-
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ment, ainsi qu'on peut le voir. La partie inférieure du récipient 2 compor- te une tubulure de sortie des cailloux qui communique avec un tuyau vertical 7 par l'intermédiaire d'une soupape rotative étanche au gaz désignée schémati- quement par 8, qui peut être semblable à la soupape du conduit de section ré- duite 3, sauf qu'il n'est pas nécessaire de la refroidir par circulation d'eau. Le tuyau 7 contient un dispositif, par exemple un élévateur à godets, pour monter les cailloux.
Le tuyau se décharge à son sommet dans la partie supérieure du récipient 1 par un tube qui pénètre jusqu'au centre du réci- pient de façon à répartir les cailloux uniformément et à offrir également une surface de dégagement de grande étendue aux gaz passant à travers les cailloux.
Le dispositif décrit ci-dessus fait circuler d'une manière con- tinue les cailloux dans les deux récipients. Ceux-ci tombent par leur pro- pre poids depuis le sommet du récipient 1 jusqu'au fond du récipient 2, puis remontent par le tuyau 7 à la partie supérieure du récipient 1. On. voit que la soupape rotative du conduit de section réduite 3 permet aux cailloux.. de passer du récipient 1 dans le récipient 2, mais ne permet pas le passage- du gaz autre que la faible quantité renfermée dans ceux des secteurs comparti- mentés 6 qui sont vides. Le poids des cailloux peut être suffisant pour faire tourner l'élément de soupape 5; dans le cas contraire un dispositif extérieur (non représenté) peut être installé pour faire tourner l'élément 5.
Les cailloux contenus dans le récipient 1 sont chauffés par les produits de combustion provenant d'une chambre de combustion 9 alimentée en combustible par un tube 10 et en air comburant par un tube 11 comportant un ventilateur soufflant 19. Les prodùits de combustion arrivent dans le réci- pient par un conduit 12 et en sortent par un carneau 13 qui peut faire échap- per les gaz dans l'atmosphère ou les diriger dans une installation de récu- pération de chaleur. Au lieu d'utiliser une chambre de combustion séparée, on peut faire brûler le combustible en totalité ou en partie dans le réci- pient 1 lui-même.
Le fluide moteur de la turbine à gaz, qui peut être de préfé- rence de l'azote ou de l'hydrogène, circule dans un cycle fermé comprenant la turbine 14, un compresseur 15 actionné par elle, des échangeurs de chaleur 16,17 et 18, et le récipient d'échange de chaleur 2. Le gaz moteur, en sor= tant de la turbine 14, passe dans l'échangeur de chaleur 16 pour chauffer le gaz refoulé par le compresseur 15, dans l'échangeur de chaleur 17 pour pré- chauffer l'air de combustion dans la chambre 9, dans l'échangeur de chaleur 18 où le gaz est refroidi à l'eau à une température aussi basse que possi- ble, puis va dans le compresseur 15. En sortant du compresseur 15, le gaz traverse la partie chauffante de l'échangeur de chaleur 16, et ensuite va au conduit d'admission 20 -du .récipient d'échange -de -chaleur 2.
Le gaz traver- se de bas en haut ce récipient à contre courant avec les cailloux qui descen- dent et cèdent leur chaleur au gaz. Le gaz moteur chauffé sort du récipient 2 par un conduit de sortie 21 et alimente la turbine 14 dans: laquelle il fournit de l'énergie utile. La pression moyenne du fluide moteur est mainte- nue à une valeur de 50 à 70 atmosphères par exemple.
Le dispositif peut servir avantageusement à brûler des combus- tibles de qualité inférieure, par exemple des fuels résiduels de. pétrole.
Lorsqu'on brûler de tels fuels dans l'installation connue de turbine à gaz à cycle fermé, les produits de combustion ont l'inconvénient de contenir de la cendre et des matières incomplètement brûlées qui sont visqueuses à la température du réchauffeur d'air de cette installation connue, et se dépo- sent sous forme de masse solide sur les tubes du réchauffeur d'air, empê- chant ainsi la''circulation des produits de combustion. Dans le cas de l'in- stallation suivant l'invention, la cendre se dépose également sur les cail- loux dans le récipient 1, mais cela n'empêchera pas la circulation des pro- duits de combustion,,..
Lorsque les cailloux passent dans le récipient 2, la cendre y adhérera encore pour la plus grande partie, mais étant donné que- les cailloux se refroidissent et que la cendre devient plus dure, une cer- taine partie pourra être éliminée sous forme pulvérulente par frottement.
Une certaine quantité dé cette cendre pulvérulente descendra avec- les cail-
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loux et peut être évacuée hors du dispositif au moyen d'une soupape rotati- ve représentée schématiquement par 22. Cependant une certaine quantité de cendre pulvérulente peut être entraînée de bas en haut par le gaz moteur, mais celui-ci sera épuré d'une manière efficace par son pssage au travers des couches supérieures de cailloux, et d'autant mieux que la cendre déposée sur ces cailloux est encore à l'état visqueux.
Le fluide moteur passant dans la turbine 14 est ainsi presque complètement ou complètement débarrassé de matières solides. Même si une faible quantité de matière solide échappe à l'action d'épuration exercée par les cailloux, cette matière sera à l'état pulvérulent et ne contiendra pas les éléments visqueux susceptibles d'adhé- rer aux aubes de la turbineo De plus une telle matière pulvérulente aura tendance à se déposer dans l'espace situé au-dessus des cailloux dans le ré- cipient 20 Toutefois, on peut disposer, s'il y a lieu, un cyclone entre ce- récipient et la turbine.
On peut faire sortir par la soupape 22 d'une manière continue ou intermittente une certaine quantité de cailloux pour les nettoyer, pen- dant que l'installation est encore en marche. On peut récupérer dans la cen- dre éliminée des éléments intéressants, par exemple des composés de vana- dium. Les cailloux nettoyés ou neufs peuvent être introduits dans le dispo- sitif en un point quelconque approprié suivant les besoins, par exemple au point indiqué schématiquement par la flèche 23.