Installation comportant un générateur de vapeur chauffé au moyen de gaz chauds sous pression. La présente invention se rapporte à une installation comportant un générateur de vapeur chauffé au moyen de gaz chauds sous pression.
Cette installation est caractérisée par une turbine à gaz et par un auto-générateur de gaz sous pression comportant un cylindre moteur et au moins un cylindre compresseur dans lequel est comprimé l'air de balayage et d'alimentation dudit cylindre moteur, une partie au moins des gaz sous pression débités par l'auto-générateur traversant le générateur de vapeur et la. turbiné à gaz en série.
Le dessin annexé montre schématique ment, à titre d'exemples, trois formes d'exé cution de l'objet de l'invention.
La fi-. 1 représente la première de ces formes d'exécution de l'installation; La fig. ? représente, semblablement à. la. fig. 1, la deuxième de ces formes d'exécution de l'installation; La fig. 3 est un diagramme de fonction nement de certains éléments de cette der nière installation; La fig. 4, enfin, représente la troisième forme d'exécution de l'installation.
L'installation suivant la. fig. 1 comporte un générateur de vapeur 1 dont le circuit de chauffe est alimenté par le gaz sous pres sion débité par un auto-générateur 3, com portant un cylindre moteur et au moins un cylindre compresseur qui comprime l'air de balayage et d'alimentation dudit cylindre mo teur des ouvertures d'échappement duquel sortent lesdits gaz sous pression, ces gaz contenant, en plus des produits résultant de la combustion dans le cylindre moteur, une proportion élevée d'oxygène non combiné.
On se sert de cet oxygène en excès pour brûler, dans un espace 2 -du conduit amenant les gaz débités par l'auto-générateur au gé nérateur de vapeur 1, du combustible intro duit à l'aide de brûleurs 4, la. quantité de com- bustible ainsi introduite dans les gaz chauds ic,sus de l'auto-générateur 3 variant avec la puissance demandée à l'installation.
Une partie importante de l'énergie que contiennent encore les gaz sous pression à leur sortie du circuit de chauffe du généra teur de vapeur est récupérée en les faisant détendre dans une turbine à. gaz 5 montée en série avec le générateur 1.
Pour améliorer le rendement. thermique de cette installation, l'eau d'alimentation du générateur de vapeur 1 sert d'abord au re froidissement de l'auto-générateur 3, cette eau étant préalablement chauffée dans un échangeur 6 traversé par les gaz détendus dans la turbine 5. la circulation de ladite eau vers les compartiments la du générateur de vapeur contenant l'eau: à évaporer étant activée par une pompe î . L'eau de refroi dissement dé l'auto-générateur est mise sous pression par une pompe P. ce qui permet.
d'élever la température de cette eau dans les chemises de l'auto-générateur à une tempé rature supérieure à sa température d'ébulli tion à la pression ambiante.
Le générateur de vapeur 1 est relié par un conduit 8 à une turbine à vapeur 9. suivie d'un condenseur 10. la vapeur traversant au préalable un surchauffeur 11 traversé par les gaz chauds sous pression avant leur entrée dans le générateur 1. Une partie des gaz sous pression débités par l'auto-générateur est envoyée directement dans une turbine à gaz 12 accouplée à la turbine à gaz 5.
Mais, bien entendu, dans une variante de l'installation représentée par la fig. 1, on pourrait envoyer au foyer du générateur 1 la totalité des gaz débités par l'auto-géné- rateur 3.
Dans l'installation suivant la fig. 2, on utilise les gaz chauds sous pression prove nant de l'auto- générateur<B>3</B> qui est-analogue à celui de l'installation de la. fi-. 1, sans y brîiler de combustible.
On s'arrange pour envoyer vers le générateur de vapeur 1, par la conduite ?;,. seulement une partie des gaz chauds sous pression débités, cette partie étant celle quittant le cylindre moteur au début de la phase d'échappement (avant que ne commence le balayage), et étant à une pression supérieure à la pression d'alimenta tion de ce cylindre moteur de 1'auto-généra- teur 3.
3 cet effet. la paroi du cylindre moteur est pourvue de deux séries d'ouvertures d'échappement. qui sont successivement dé couvertes par le piston ou l'un des pistons de l'auto-générateur.
Les ouvertures découvertes les premières et laissant échapper les gaz à pression supé rieure sont commandées par une ou par plu sieurs soupapes.
La partie des gaz s'échappant par la deuxième série d'ouvertures contient la ma jeure partie de l'air de balayage fourni par le cylindre compresseur de l'auto-générateur et quitte celui-ci par la conduite distincte 8h. Cette deuxième partie des gaz, dont la tem pérature est inférieure à celle -de la première. est mélangée aux gaz de chauffage sortant du générateur de vapeur 1 par la conduite 8,. Ce mélange est ensuite amené à la turbine 5 par la, conduite<B>8,</B> L'installation suivant la. fig. ? comporte. en aval de la turbine 5, une partie frigo rifique alimentée par les gaz détendus dans cette turbine.
Pour abaisser la température des gaz chauds destinés à ladite turbine 5. on intercale dans la conduite 8, un. échangeur 13 servant. en même temps, à élever la tem pérature de l'eau de refroidissement de l'auto-générateur 3. L'eau de refroidissement quittant l'auto-générateur est réchauffée dans l'échangeur 6 intercalé dans la conduite de gaz 8, et sert ensuite à alimenter le généra teur 1. Après leur détente ,dans la turbine 5. les gaz seront à. même de fournir des fri gories à un échangeur 14 constituant la source de froid de la partie frigorifique de l'installation.
La partie des gaz sous pression servant. au chauffage du générateur de vapeur subit dans ce dernier, ainsi que dans l'échangeur 6, (les pertes de charge importantes. ce qui a pour effet d'égaliser sa pression avec celle de la partie des gaz sortant par la conduite 8,,. Pour illustrer ce fait. on a montré. dans la fi-. 3. le diagramme course-pression <I>a b</I> c <I>d</I> du cylindre moteur de l'auto-énérateur. On fait échapper les gaz (le chauffe destiné;
au générateur de vapeur 1 au point d. lors que la pression P_ règne dans le cylindre moteur, cette pression étant supérieure à la pression Pl de balay a.,,-e. Sur le diagramme d-e la. fig. 3, on choisit le point d, pour que la chute de pression (P1 P_) corresponde aux- dites pertes de charges.
Mais on pourrait aussi. dans un autre cas. prolonger la détente des gaz brûlés dans le cylindre moteur jusqu'à la. pression d'alimen tation Pl (détente prolongée d-e).
Il en résultera que la. partie des gaz sous pression traversant le générateur de vapeur aura. à sa sortie de ce dernier une pression inférieure à la. pression d'alimentation Pl. On devra alors, au lieu de la mélanger à la partie envoyée à la. turbine 5 sans passer par le générateur -de vapeur. l'envoyer séparé ment à une deuxième turbine. correspondant par exemple à la turbine 1\? cle la fi-. 1. ou.
encore. à la. même turbine. mais à u n étage de pression inférieure à l'étage de pression d'introduction de la. partie des gaz. n'ayant pas traversé le générateur de vapeur. La va peur fournie par le générateur 1 est. détendue dans une turbine 9 munie d'un condenseur 10.
Le rendement d'installations mixtes du genre de celles qui viennent. d'être décrites peut varier entre 30 et<B>35%</B> et est générale ment très supérieur à celui d'une installation à vapeur seule.
Les bains de rendement obtenus avec de telles installations mixtes sont dus à la. ré cupération de calories qui étaient perdues dans les installations actuelles. savoir: Les calories emportées par l'eau de re froidissement et: par les gaz détendus dans les installations à gaz; et les calories emportées par les gaz de chauffage dans les installation: à vapeur. Par rapport aux autres installations à vapeur. le gain de rendement est dû surtout à l'adjonction d'une installation à gaz sous pression. fonctionnant suivant un cycle propre. à rendement très élevé.
1;u fig. -1 montre une installation agencée de façon telle que le générateur (le vapeur qu'elle comporte constitue. aux faible charges de l'installation, un récupérateur de calorie= de la;
turbine à gaz. la chaudière étant alors chauffée. de préférence à faible pression. par des gaz déjà. détendus dans la dite turbine alimentée directement par l'auto générateur (qui est analogue à ceux des ins tallation. des fit-- 1 et ?). et. aux charges élevée. l'élément le plus important de l'ins tallation au point de vue de la puissance fournie. la. majeure partie de l'énergie déve loppée dans l'auto-nénérateur servant alors à assurer le chauffage du susdit générateur de vapeur.
Dans l'installation de la. fin. 4. on les chiffres 1. ?. 3. 5, 9 et 10 désignent les même: élément: que dans la. fi;. 1. de l'eau de refroidissement, circulant dans la chemise 3;, entourant la chambre de combustion du cylindre moteur de l'auto-générateur 3 est directement vaporisée dans cette dernière.
tandis que de l'eau de refroidissement circu lant dans les chemises<B>31,</B> entourant les autres parties de l'auto-générateur et séparées de la chemise 3" est envoyée, par un conduit 15. au générateur de vapeur 1. la vapeur issue di rectement de la. chemise vaporisatrice 3., de l'auto-ménérateur 3 et celle provenant du zé- nérateur 1.
étant mélangée. avant leur intro duction dans le surchauffeur 11 précédent la turbine à vapeur 9.
Le conduit<B>16</B> relié à l'échappement de l'auuto--énérateur 3 par l'intermédiaire du sur chauffeur 11 comporte une bifurcation dont l'une des branches 17 permet d'envoyer di rectement à l'admission de gaz de chauffage du générateur de vapeur 1 en passant par le surchauffeur 11, les gaz chauds- sous pression (éventuellement surchauffés par combustion additionnelle) provenant de cet anto-;énéra- teur. L'échappement;
des gaz de chauffage du générateur 1 est relié à la. turbine à gaz 5 par nu conduit 18, l'échappement de\ cette turbine étant relié à -un économiseur 19 ser- vaut au réchauffage (le l'eau destinée à l'ali mentation du générateur 1 < < pleine charge. L'autre branche 16' de la. bifurcation (lu conduit 16 est reliée à l'admission de la turbine 5.
Des pompes P1, P_ et P; assurent respec tivement l'alimentation en eau de la chemise :31, des chemises 3,, et de l'économiseur 19. Une double vanne 20 est disposée sur les branches 16' et 17 de la. bifurcation du con duit 16. cette vanne permettant. suivant la position qu'elle occupe. de faire passer les ;-az sous pression provenant de l'auto-généra- teur 3. soit par la branche 16' immédiatement clans la turbine 5 (pour la marche à charge partielle). soit par la branche 17 (pour la.
marche à pleine charge). la branche qui ne doit pa.. être mise en service étant alors. clans chaque cas, obturée.
Sur le conduit 18 est: montée une double vanne ?1 permettant, soit d'obturer ledit conduit et en même temps de démasquer un orifice d'évacuation ?? des gaz avant traversé le circuit de chauffe du générateur de vapeur (cas de la. marche à charge partielle). soit au contraire de libérer ledit conduit 18 et de masquer ledit orifice (cas de la marche à pleine charge). Une vanne 23 permet de mettre hors ou en circuit l'économiseur 19 suivant que l'on désire réaliser la marche à charge partielle ou la marche à pleine charge.
Enfin, l'installation comporte les clapets de retenue \?4, 25 et 26. dont les deux premiers servent à obturer soit la branche 16' de la bifurcation du conduit 16, soit le con duit 18 (desservant la turbine 5). tandis que le clapet \?6 sert à fermer par la pression d'amont la communication entre le conduit d'échappement de la turbine 5 et l'admission des gaz de chauffa-e du ;-énérateur 1 lors de la marche à pleine charge.
On conçoit qu'il suffira de donner des positions appropriées aux vannes 20, 21 et \?3 (positions qui résultent clairement. de la dr@- c ription qui précède) pour obtenir à volonté soit que les gaz chauds 'sous pression traver sent d'abord la. turbine 5 et ensuite le géné rateur de vapeur 1 (marche à charge par- tielle). soit que ces gaz chauds sous pression traversent d'abord le générateur de vapeur 1 et ensuite la turbine 5 (marche à pleine charge).
<B>À</B> titre d'exemple, on peut établir comme suit le bilan thermique de l'installation selon la fig. 4 (pour la marche à charge partielle): Si l'on introduit 152,7 cal. par kilo d'air dans l'auto-générateur 3, 1,'30 cal. restent dans les gaz. 15.2 cal. sont transformées en vapeur autour de la chambre de combustion, 3 cal. passent dans l'eau d'alimentation du généra teur (le vapeur 1 et 4,5 cal. sont perdues par convection. Les 15,? cal. évacuées par les parois de la chambre (le combustion per mettent de vaporiser 0.023 kg d'eau à l97 .
à la. pression de 15 kg/cm=. Les 3 cal. éva cuées par les autres parties du cylindre mo teur échauffent. de 15 à 115 , 0,030, kg d'eau, quantité qui est transformée en vapeur à<B>197'</B> et à 15 kg/cm= par l'absorption de 18,9 cal. cédées par le gaz après détente dans la tur bine 5, lesdits gaz se refroidissant de 215 à 130 dans la chaudière. Les gaz sous pression assurant la, sur chauffe de la totalité .de la vapeur produite entre 197 et 400 abaissent leur température de 470 à 447 . en échangeant 5,? cal. Les gaz moteurs, en se détendant dans la turbine 5. se refroidissent de 447 à 215 , en transfor- ma,nt en travail 55,6 calories.
La somme des calories introduites clans le circuit-vapeur est de: 15 ,? -I- 3 -+- 18,9 -I- 5,2 = .12.3 calories. En supposant le rendement du cycle à vapeur égal à ?2 ô , le travail mécanique sur l'arbre de la. turbine 9 est égal à 9,3 calories.
Le rendement de l'installation à gaz seule ressortirait à:
EMI0004.0058
Le rendement, de l'inst.alla.tion avec récu- pération ressortirait à:
EMI0004.0064
soit une augmentation de travail d'environ 15,. ô.
Dans l'exemple qui vient d'être décrit, toute l'eau de refroidissement du cylindre de <B>'</B> uto-énérateur autre que l'eau vaporisée <B>l</B> U tD autour de la chambre de combustion est va porisée dans le générateur 1, cette quantité étant juste suffisante pour absorber les calo ries résiduelles disponibles dans les gaz d'échappement de la turbine 5.
Bien entendu, on pourrait, soit perdre une certaine quantité d'eau de refroidissement, soit envoyer dans le générateur de vapeur de l'eau en supplé ment, suivant la disponibilité des calories restant dans les gaz détendus, ce qui, d'ail leurs, ne modifie pas notablement le rende ment -de l'opération de récupération.
II est à remarquer que, en raison du faible écart de température des gaz dans le générateur de vapeur 1 de l'installation dé crite. ce dernier présente une .grande dimen sion par rapport aux autres éléments de l'installation. Cette caractéristique rend ledit générateur propre à produire une grande quantité de vapeur lorsqu'il est directement chauffé sous pression par les gaz de l'auto générateur 3, enrichis des calories provenant de la combustion, dans l'espace ?, d'une quan tité convenable de combustible.
L'installation selon la fig. 4 correspond particulièrement bien aux conditions de pro pulsion d'un navire devant, le plus souvent. se déplacer à une vitesse économique, dite de croisière, ne nécessitant qu'une charge par tielle de l'installation ou, moins fréquem ment, à une vitesse plus élevée nécessitant une puissance considérablement accrue de l'appareil moteur.
Toutes les installations mixtes telles que celles qui viennent d'être décrites sont très avantageuses dans toutes les installations industrielles qui ont besoin, en outre, de force motrice, de vapeur à haute ou basse pression, ou encore -de vapeur de chauffage, cette vapeur pouvant être soutirée soit au générateur de vapeur, soit à la sortie des ré cepteurs de vapeur.
Les installations des fig. 1 et 4 présen tent encore, par rapport aux installations à gaz à combustion interne, l'avantage de pou- voir utiliser, pour la combustion qui a lieu en aval de l'auto-générateur. un combustible moins coûteux, lequel combustible peut être constitué par les sous-produits de distillation des huiles employées pour l'alimentation de l'auto-générateur.