FR2557277A1 - THERMAL INDUCTION MACHINE - Google Patents
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Abstract
Description
Machine à induction thermiqueThermal induction machine
La présente invention est relative à une machine à induction ther- The present invention relates to a heat induction machine
mique pour mettre en relation des ressources thermiques et des utilisa- to link thermal resources and uses
tions thermiques, en vue de valoriser l'énergie thermique des ressour- thermal energy, with a view to developing the thermal energy of
ces. On connait la nécessité d'économiser l'énergie. Un moyen de le faire est d'utiliser les ressources enthalpiques existantes et de les these. We know the need to save energy. One way to do this is to use the existing enthalpic resources and to
faire évoluer de leur température actuelle à une température d'utilisa- change from their current temperature to a temperature of
tion, en conservant leur contenu exergétique. On peut citer à titre d'exemple de ressource enthalpique à haut niveau de température, la vapeur d'eau à 5000C issue d'une centrale thermique. Le moyen actuel permettant de conserver au maximum l'exergie de cette ressource est d'utiliser une turbine qui produira de l'énergie mécanique transformable tion, retaining their exergetic content. As an example of an enthalpy resource with a high temperature level, water vapor at 5000 ° C from a thermal power station can be mentioned. The current way to conserve the exergy of this resource is to use a turbine that will produce transformable mechanical energy
en énergie électrique.in electrical energy.
On voit que la mise en oeuvre exige des investissements impor- It can be seen that implementation requires significant investments
tants. Un autre exemple est celui d'une source enthalpique à bas niveau de tives. Another example is that of a low-level enthalpic source of
température (rejet thermique d'usine, par exemple eau à 45 ). temperature (factory heat rejection, eg water at 45).
On peut utiliser le contenu enthalpique de cette source, pour le chauffage de locaux par exemple, en accroissant sa température jusqu'à The enthalpy content of this source can be used for space heating, for example, by increasing its temperature up to
au moyen d'une pompe à chaleur. by means of a heat pump.
Les pompes à chaleur conventionnelles à fluide de travail comprimé Conventional heat pumps with compressed working fluid
ont un coefficient de performance médiocre. have a poor performance coefficient.
Elle nécessitent des éléments dynamiques (compresseurs) sujets à It requires dynamic elements (compressors) subject to
usure et à entretien.wear and maintenance.
Les pompes à chaleur à absorption utilisent un processus statique, mais leur rendement est par essence médiocre du fait de la structure de Absorption heat pumps use a static process, but their efficiency is inherently poor because of the structure of
leur cycle thermique.their thermal cycle.
Un but de l'invention est de réaliser une machine thermique ne mettant en jeu que des échanges thermiques quasi-réversibles, de manière à éviter la dégradation du contenu exergétique des ressources thermiques utilisées. Un autre but de l'invention est de réaliser une machine qui, soit ne comporte que des moyens statiques, donc robustes et peu sujets à usure, soit combinent moyens statiques et moyens dynamiques, mais avec un rendement énergétique bien supérieur à celui fourni par les systèmes An object of the invention is to provide a thermal machine involving only quasi-reversible heat exchange, so as to avoid the degradation of the exergy content of the thermal resources used. Another object of the invention is to provide a machine which has only static means, therefore robust and not subject to wear, or combines static means and dynamic means, but with an energy efficiency much higher than that provided by the systems
qui suivent les cycles thermiques connus. which follow the known thermal cycles.
Un but de l'invention est de réaliser une machine thermique réver- An object of the invention is to provide a reversing thermal machine.
sible c'est-à-dire capable de recevoir de l'énergie thermique à un niveau de température moyen et valoriser cette énergie en la portant à haute température, aussi bien que de recevoir de l'énergie à bas et haut that is, capable of receiving thermal energy at an average temperature level and valuing that energy by raising it to high temperature, as well as receiving energy at low and high
niveau et de la fournir à niveau intermédiaire. level and provide it at intermediate level.
Un autre but est de réaliser des dispositifs thermiques dont les coûts de fabrication soient notablement abaissés par rapport aux Another goal is to produce thermal devices whose manufacturing costs are significantly lower compared to
machines thermiques de même puissance. thermal machines of the same power.
Pour bien comprendre la structure et le fonctionnement du dispo- To understand the structure and functioning of the
sitif thermique de l'invention, il est nécessaire de rappeler quelques thermal system of the invention, it is necessary to recall a few
notions thermodynamiques et de donner un certain nombres de définitions. thermodynamic notions and give a number of definitions.
L'idée de départ qui a conduit au dispositif de l'invention est The initial idea that led to the device of the invention is
qu'il est possible de réaliser des transferts thermiques statiques qua- that it is possible to achieve static thermal transfers of about
si-réversibles. Cette notion de transfert thermique statique if-reversible. This notion of static heat transfer
quasi-réversible a pour origine l'étude de la distillation. quasi-reversible originates from the study of distillation.
La figure 1 représente schématiquement une colonne à distiller 1 pour la distillation d'un mélange de deux corps A et B, A étant le plus FIG. 1 schematically represents a distillation column 1 for the distillation of a mixture of two bodies A and B, A being the most
volatil. La colonne est associée à un bouilleur 2, et à un condenseur 3. volatile. The column is associated with a boiler 2, and a condenser 3.
L'axe des températures T est dirigé vers le bas de la figure. The temperature axis T is directed towards the bottom of the figure.
Le mélange A + B est introduit en milieu de colonne à une tempéra- The mixture A + B is introduced at the middle of the column at a temperature of
ture T2; le corps B, à pureté contrôlée, s'écoule liquide en fond de colonne à température T; une partie part à la production PB' l'autre est évaporée dans le bouilleur 2; le contenu enthalpique de la vapeur ainsi produite est distribué le long de la colonne; lorsque cette vapeur arrive en tête de colonne à température T1, elle contient le corps A à pureté contr8ôlée; elle est alors condensée; une partie de A porte à la production PA' l'autre (reflux) est renvoyée dans la colonne. La flèche V représente le flux de vapeur et la flèche L le flux de vapeur dans une section S (T) de la colonne à la température T. On suit habituellement les opérations physiques mises en Jeu sur le diagramme de Merkel; ce diagramme (figure 2) comprend pour chaque pression: - 3 - les fuseaux d'équilibre, concentration x(T) liquide et y(T) vapeur du corps A. l'enthalpie h (liquide) et H (vapeur) du mélange en fonction des concentrations. Les correspondances entre ces grandeurs sur le diagramme sont T2; the body B, with controlled purity, flows at the bottom of the column at temperature T; one part goes to the production PB 'the other is evaporated in the boiler 2; the enthalpy content of the vapor thus produced is distributed along the column; when this vapor arrives at the top of the column at temperature T1, it contains the body A with controlled purity; it is then condensed; one part of A bears to the production PA 'the other (reflux) is returned to the column. The arrow V represents the vapor flow and the arrow L the vapor flow in a section S (T) of the column at temperature T. The physical operations put into play on the Merkel diagram are usually followed; this diagram (FIG. 2) comprises for each pressure: - 3 - equilibrium spindles, liquid concentration x (T) and y (T) body vapor A. enthalpy h (liquid) and H (vapor) of the mixture depending on the concentrations. The correspondences between these quantities on the diagram are
indiquées dans la figure 2.shown in Figure 2.
Il est facile de se convaincre que la distillation ainsi réalisée ne peut pas être reversible: en écrivant entre deux sections de colonne les trois équations de conservation (débit A, débit A + B, enthalpie) on It is easy to be convinced that the distillation thus carried out can not be reversible: by writing between two sections of the column the three conservation equations (flow A, flow A + B, enthalpy)
s'aperçoit qu'elles ne peuvent être vérifiées toutes trois simultané- realizes that they can not be verified at the same time
ment; par suite, dans la distillation classique à colonnes calorifu- is lying; as a result, in conventional distillation with heat columns
gées, les phases liquide et vapeur en contact évoluent nécessairement the liquid and vapor phases in contact necessarily evolve
hors d'équilibre.out of balance.
La Demanderesse a observé que pour avoir l'équilibre thermodyna- The Applicant has observed that to have thermodynamic equilibrium
mique (c'est-à-dire les valeurs des concentrations des liquide x et (ie the values of the concentrations of the liquid x and
vapeur y correspondant à l'équilibre aux pressions températures considé- vapor corresponding to equilibrium at the prevailing temperature pressures.
rées), en tous points, il faut apporter ou enlever de la chaleur dans chaque tranche de colonne. Le brevet français n 80 17313 donne un In all respects, heat must be supplied or removed in each column section. French Patent No. 80 17313 gives a
exemple des moyens pouvant être mis en oeuvre pour réaliser une distil- example of the means that can be implemented to achieve a distill-
lation réversible.reversible lation.
La distillation réversible qu'on réalise de cette façon se carac- The reversible distillation carried out in this way is
térise ainsi dans chaque cas particulier par une distribution T de chaleur Q(t): q d T telle que représentée typiquement 0To thus, in each particular case, by a heat distribution T Q (t): q d T as typically represented 0To
dans la figure 3.in Figure 3.
Q(T) comprend plusieurs parties, et notamment: - la partie BC (épuisement E) qui traduit une activité endothermique de la colonne Q (T) comprises several parts, and in particular: the part BC (depletion E) which translates an endothermic activity of the column
- CD (rectification R) qui est exothermique. - CD (rectification R) which is exothermic.
Les portions BC et CD sont toutes deux des arcs de courbes très tendus qui peuvent être assimilés à des droites, représentatives The portions BC and CD are both arcs of very tight curves which can be assimilated to straight lines, representative
d'échanges avec des circuits caloporteurs extérieurs à chaleur spéci- of exchanges with external heat-transfer circuits with specific heat
fique constante.constant.
Le raisonnement qui vient d'être fait relativement à une colonne à -'4- The reasoning that has just been made with respect to a column at -'4-
distiller est valable pour tout type d'échangeur thermique, en particu- distiller is valid for all types of heat exchangers, in particular
lier pour un système thermique constitué par exemple par une colonne à garnissage ou à plateaux équipée, sur toute sa hauteur, d'échangeurs parcourus par des circuits caloporteurs extérieurs de chaleur sensible apportant à ou extrayant de ladite colonne la distribution de chaleur linéarisée assurant son fonctionnement réversible. Un tronçon de colonne équipée d'un circuit caloporteur extérieur à débit constant peut être bind for a thermal system consisting for example of a packed column or trays equipped throughout its height with heat exchanger traversed by external heat-sensitive circuits supplying or extracting from said column linearized heat distribution ensuring its operation reversible. A column section equipped with a constant flow external heat transport circuit may be
considéré comme un échangeur comprenant un premier compartiment, dipha- considered as an interchange comprising a first compartment, dipha-
sique, constitué par la colonne elle-même,le deuxième compartiment étant parcouru par le fluide caloporteur extérieur. Un tel échangeur est it is constituted by the column itself, the second compartment being traversed by the external coolant. Such an exchanger is
dénommé élément de transfert thermique. referred to as the heat transfer element.
On notera qu'à travers un tel échangeur le flux d'éxergie de l'en- It will be noted that through such an exchanger the flow of energy of the en-
semble des effluents reste constant en fonction de la température, au effluent appears to remain constant as a function of temperature,
second ordre près.second order close.
On désignera dans ce qui suit par activité thermique la quantité de chaleur reçue ou fournie dans chaque élément de transfert thermique pour assurer la réversibilité des phénomènes thermodynamiques pour chaque niveau de température T. Un élément de transfert thermique est défini par: - la nature du mélange diphasique utilisé By thermal activity, the amount of heat received or supplied in each heat transfer element will be referred to as thermal activity to ensure the reversibility of the thermodynamic phenomena for each temperature level T. A heat transfer element is defined by: the nature of the mixture diphasic used
- les débits de eluide de travail liquide et vapeur du premier compar- - the flows of liquid and vapor working eluide of the first
timent - la pression de fonctionnement de l'échangeur - les valeurs des températures entre lesquelles le fluide évolue dans - the operating pressure of the exchanger - the temperature values between which the fluid is
l'élément.item.
On en déduit les puissances calorifiques appliquées à l'élément We deduce the calorific powers applied to the element
(ressources calorifiques = chaleur apportée au système, positive; uti- (calorific resources = heat supplied to the system, positive;
lisations calorifiques = chaleur fournie par le systèmes, négative) et calorific = heat provided by the system, negative) and
par suite, la nature du caloporteur. as a result, the nature of the coolant.
A chaque élément de transfert thermique donné (dit "direct"), à For each given heat transfer element (called "direct"),
pression donnée on peut faire correspondre un élément de transfert ther- given pressure it is possible to match a heat transfer element
mique "inverse", à une autre pression, dans lequel: - la nature du mélange diphasique est la même ainsi que celle du fluide caloporteur - on trouve dans l'élément direct et l'élément inverse, aux sections "reverse", at another pressure, in which: - the nature of the two-phase mixture is the same as that of the coolant - we find in the direct element and the inverse element, the sections
255727?255727?
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homologues, les mêmes débits liquide et vapeur aux mêmes concentrations des constituants du fluide de travail, mais évoluant en sens inverse en homologues, the same liquid and vapor flow rates at the same concentrations of the constituents of the working fluid, but moving in the opposite direction in
fonction de la température.temperature function.
- les sources ont même valeur absolue pour un élément direct et un élément inverse, mais les signes sont opposés. L'invention a pour objet un dispositif de transfert thermique en vue de mettre en relation des ressources thermiques et des utilisations thermiques, afin de valoriser l'énergie des ressources sans diminuer leur contenu exerg5tique, ledit dispositif fonctionnant de façon très proche de la réversibilité avec un fluide de travail constitué d'au moins the sources have the same absolute value for a direct element and an inverse element, but the signs are opposite. The subject of the invention is a heat transfer device for linking thermal resources and thermal uses, in order to value the energy of the resources without reducing their exergy content, said device operating very closely with the reversibility with a working fluid of at least
deux corps purs miscibles et mis en jeu sous forme diphasique, caracté- two pure bodies which are miscible and put into play in two-phase
risé en ce qu'il comprend: - un premier ensemble direct d'éléments de transfert thermique mis en série sur les débits liquide et vapeur du fluide de travail, ledit premier ensemble comprenant une première colonne à échange diphasique fonctionnant à une première valeur de pression, - un second ensemble d'éléments de transfert thermique, ledit second ensemble étant inverse du premier et contenant le même nombre d'éléments et notamment une deuxième colonne à échange diphasique, la seconde colonne travaillant à une seconde valeur de pression inférieure à la première valeur, des débits adventices étant établis entre les deux ensembles aux bornes des éléments homologues, toutes les parties du dispositif ayant une température comprise entre deux valeurs quelconques échangeant de la chaleur entre eux, les débits adventices et leur sens étant ajustés pour que les deux colonnes reçoivent en tous points au in that it comprises: a first direct set of heat transfer elements placed in series on the liquid and vapor flows of the working fluid, said first set comprising a first two-phase exchange column operating at a first pressure value; a second set of heat transfer elements, said second set being inverse of the first and containing the same number of elements and in particular a second column with two-phase exchange, the second column working at a second pressure value lower than the first one; value, weed flows being established between the two sets across the homologous elements, all parts of the device having a temperature between any two values exchanging heat with each other, the weed rates and their direction being adjusted so that the two columns receive in all respects
cours des échanges les quantités de chaleurs correspondant à leur acti- exchange rate the quantities of heat corresponding to their activity
vité thermique.thermal energy.
Dans un mode de réalisation particulier, la machine comprend une In a particular embodiment, the machine comprises a
première et seconde colonnes couvrant continuement un domaine de tempé- first and second columns continuously covering a temperature range
rature To T2, sans recouvrement des domaines de température respectifs des colonnes, les zones d'extrémités des colonnes étant toutes le siège d'échange de chaleur avec l'extérieur, les zones aux températures To et T2 échangeant dans le même sens, les autres zones d'extrémité échangeant to T2, without overlapping the respective temperature ranges of the columns, the end zones of the columns being all the heat exchange seat with the outside, the zones with temperatures To and T2 exchanging in the same direction, the others end zones exchanging
en sens inverse.reverse.
Dans un mode industriel de réalisation correspondant à une pompe à -6 chaleur tritherme monoétagée, la machine est caractérisée en ce que les première et seconde colonnes comprennent à leur extrémité la plus chaude respectivement un premier bouilleur et un second bouilleur et à leur In an industrial embodiment corresponding to a single-stage trithermal heat pump, the machine is characterized in that the first and second columns comprise at their hottest end respectively a first boiler and a second boiler and their
extrémité la plus froide respectivement un premier et un second conden- the coldest end respectively a first and a second condensa-
seur, les bouilleurs recevant de la chaleur de ressources extérieures au boilers receiving heat from outside resources.
dispositif et les condenseurs fournissant de la chaleur à une utilisa- device and condensers supplying heat to a user
tion, les débits adventices comprenant: the weed rates including:
- une première paire reliant les extrémités conJuguées du premier bouil- a first pair connecting the conjugated ends of the first
leur et du second condenseur et échangeant de la chaleur dans un premier échangeur à contre-courant, their and the second condenser and exchanging heat in a first countercurrent exchanger,
- une seconde paire reliant les extrémités conjuguées du second bouil- a second pair connecting the conjugate ends of the second
leur et du premier condenseur et échangeant de la chaleur dans un second échangeur à contre-courant, - une troisième paire reliant sensiblement le milieu de la première their and the first condenser and exchanging heat in a second countercurrent exchanger, - a third pair substantially connecting the middle of the first
colonne au second condenseur et échangeant de la chaleur dans un troi- column to the second condenser and exchanging heat in a third
sième échangeur à contre-courant, et une quatrième paire reliant sensiblement le milieu de la seconde colonne au premier condenseur et échangeant de la chaleur dans un th countercurrent exchanger, and a fourth pair substantially connecting the middle of the second column to the first condenser and exchanging heat in a
quatrième échangeur à contre-courant. fourth countercurrent exchanger.
Dans un mode industriel de réalisation correspondant à une machine de valorisation d'énergie disponible à moyen niveau de température, la première colonne directe comprend à son extrémité la plus chaude un premier condenseur fournissant de l'énergie à une utilisation, la seconde colonne inverse comprenant à son extrémité la plus froide un second condenseur fournissant de l'énergie à l'utilisation, les deux colonnes comprenant chacune à leur température commune un bouilleur recevant de la chaleur de ressources extérieures, les débits adventices comprenant: In an industrial embodiment corresponding to an energy recovery machine available at medium temperature level, the first direct column comprises at its hottest end a first condenser supplying energy to one use, the second reverse column comprising at its coldest end a second condenser providing energy for use, the two columns each comprising at their common temperature a boiler receiving heat from external resources, the adventitious flows comprising:
- une première paire reliant les extrémités conjuguées du premier bouil- a first pair connecting the conjugate ends of the first
leur et du second condenseur et échangeant de la chaleur dans un premier échangeur à contre-courant, their and the second condenser and exchanging heat in a first countercurrent exchanger,
- une seconde paire reliant les extrémités conjuguées du second bouil- a second pair connecting the conjugate ends of the second
leur et du premier condenseur et échangeant de la chaleur dans un second échangeur à contre-courant, - une troisième paire reliant sensiblement le milieu de la première -7 - their and the first condenser and exchanging heat in a second countercurrent exchanger, - a third pair substantially connecting the middle of the first -7 -
colonne au second condenseur et échangeant de la chaleur dans un troi- column to the second condenser and exchanging heat in a third
sième échangeur à contre-courant, et une quatrième paire reliant sensiblement le milieu de la seconde th countercurrent exchanger, and a fourth pair substantially connecting the middle of the second
colonne au premier condenseur et échangeant de la chaleur dans un qua- column to the first condenser and exchanging heat in a quad
trième échangeur à contre-courant. Dans un autre mode de réalisation correspondant à une machine multiétagée, les première et seconde colonnes couvrent un domaine de température TO T2g avec une zone commune de température T1 T2, les sources de chaleur, positive ou négative, appliquée à une colonne entre deux valeurs données de température induisant dans l'autre colonne, third counterflow heat exchanger. In another embodiment corresponding to a multi-stage machine, the first and second columns cover a temperature domain TO T2g with a common temperature zone T1 T2, the heat sources, positive or negative, applied to a column between two given values. inducing temperature in the other column,
entre les mêmes températures, une chaleur de signe inverse. between the same temperatures, a heat of opposite sign.
Dans un autre mode de réalisation de la machine, en lui associant une source de travail (positive par un compresseur, négative par une turbine), la machine est caractérisé en ce qu'au moins un point d'une colonne, situé dans une section d'extrémité d'un élément de transfert In another embodiment of the machine, by associating a working source (positive by a compressor, negative by a turbine), the machine is characterized in that at least one point of a column, located in a section end of a transfer element
thermique constitutif de ladite colonne, est relié à un circuit de prélè- constituent of said column, is connected to a sampling circuit
vement de vapeur qui transporte de la vapeur au point homologue de la vapor which transports steam to the homologous point of the
colonne inverse, ledit circuit comprenant un organe pour porter la pres- reverse column, said circuit comprising a member for carrying the pressure
sion de la vapeur de sa valeur au point de prélèvement à sa valeur au point de réinJection dans ladite colonne inverse, la machine comprenant the value of the vapor at the point of sampling at its value at the point of reinjection into the said reverse column, the machine comprising
un moyen pour établir un débit liquide entre lesdits points de prélève- means for establishing a liquid flow between said sampling points
ment et de réinjection de vapeur, de manière à obtenir l'égalité des vapor reinforcement, so as to obtain the equality of
débits liquides dans les sections homologues des colonnes associées. liquid flows in the homologous sections of the associated columns.
L'invention sera bien comprise par la description donnée ci-après The invention will be well understood from the description given below
de divers mode de réalisation de l'invention, en référence au dessin annexé dans lequel: La figure 1 représente schématiquement une colonne de distillation classique. La figure 2 représente un diagramme de Merkel pour un mélange various embodiments of the invention, with reference to the accompanying drawing in which: Figure 1 schematically shows a conventional distillation column. Figure 2 shows a Merkel diagram for a mixture
binaire.binary.
La figure 3 illustre les échanges de chaleur survenant dans une Figure 3 illustrates the heat exchanges occurring in a
colonne de distillation effectuant un processus quasi-réversible. distillation column performing a quasi-reversible process.
La figure 4 est un schéma de principe d'un dispositif de transfert Figure 4 is a block diagram of a transfer device
thermique monoétagé.single-stage thermal.
La figure 5 est un diagramme de Merckel se rapportant au dispo- Figure 5 is a Merckel diagram relating to the provision of
255727?255727?
-- 8 --- 8 -
sitif de la figure 4.Figure 4.
Les figures 6 à 10 sont des schémas de principe expliquant le Figures 6 to 10 are schematic diagrams explaining the
fonctionnement d'un dispositif de transfert thermique à induction multi- operation of a multi-induction thermal transfer device
étagé. La figure 11 est un diagramme de Merckel d'un dispositif de trans- floor. FIG. 11 is a Merckel diagram of a transmission device
fert thermique à induction, multiétagé. induction heat, multi-stage.
La figure 12 représente schématiquement une machine à induction Figure 12 schematically shows an induction machine
thermique monoétagée dans un premier mode de réalisation. single-stage thermal device in a first embodiment.
La figure 13 est un schéma plus détaillé de la machine de la Figure 13 is a more detailed diagram of the machine of the
figure 12.figure 12.
La figure 14 est une représentation encore plus détaillée de la Figure 14 is an even more detailed representation of the
machine des figures 12 et 13.machine of Figures 12 and 13.
Les figures 15 et 16 sont deux schémas d'une machine à induction Figures 15 and 16 are two diagrams of an induction machine
thermique monoétagée selon un deuxième mode de réalisation. single-stage thermal device according to a second embodiment.
Les figures 17 et 18 sont deux schémas d'une machine à induction Figures 17 and 18 are two diagrams of an induction machine
thermique monoétagée selon un troisième mode de réalisation.- single-stage thermal device according to a third embodiment.
Les figures 19 et 20 représentent deux schémas d'échangeurs uti- Figures 19 and 20 show two diagrams of exchangers used
lisés dans les machines de l'invention. in the machines of the invention.
La figure 21 représente schématiquement une machine tritherme recevant de la chaleur à haut et bas niveau de température et fournissant Figure 21 schematically shows a trithermal machine receiving heat at high and low temperature levels and providing
de la chaleur à un niveau intermédiaire. heat to an intermediate level.
Les figures 22A et 22B représentent schématiquement une machine monoétagée. La figure 23C représente une machine multiétagée obtenue par la Figures 22A and 22B schematically show a single-stage machine. FIG. 23C represents a multi-stage machine obtained by the
combinaison de deux machines monoétagées représentées dans les figu- combination of two single-stage machines represented in the
res 23A et 23B.23A and 23B.
Les figures 24 à 26 sont des schémas explicatifs pour l'élabora- Figures 24 to 26 are explanatory diagrams for the preparation of
tion d'une machine à travail extérieur. a machine for external work.
La figure 27 est un schéma d'une machine à induction thermique Figure 27 is a diagram of a thermal induction machine
fournissant du travail.providing work.
La figure 28 est un schéma d'une pompe à chaleur à induction Figure 28 is a diagram of an induction heat pump
thermique selon un premier mode de réalisation. thermal device according to a first embodiment.
La figure 29 est un schéma d'une pompe à chaleur à induction Figure 29 is a diagram of an induction heat pump
thermique selon une variante.thermal according to a variant.
La figure 30 est le schéma inverse de celui de la figure 25. Figure 30 is the opposite diagram to that of Figure 25.
-9- La figure 31 est le schéma d'une pompe à chaleur à induction Figure 31 is a diagram of an induction heat pump
thermique selon un troisième mode de réalisation. according to a third embodiment.
Les figures 32 à 34 illustrent la réalisation d'une pompe à cha- Figures 32 to 34 illustrate the construction of a heat pump.
leur à induction thermique selon un quatrième mode de réalisation. their thermal induction according to a fourth embodiment.
ILa figure 35 représente schématiquement une pompe à chaleur selon Figure 35 schematically shows a heat pump according to
un cinquième mode de réalisation.a fifth embodiment.
L'a figure 36 montre schématiquement une machine à induction tMher- Figure 36 shows schematically an induction machine tMher-
mique à travail exté-rieur comprenant quatre colonnes. external workstation with four columns.
La figure 37 re'prsente la machine de la figure 36 réduite à troia Figure 37 shows the machine of Figure 36 reduced to three
colonnex.colonnex.
T s figures 3a et 39 rerorentent des variantes respectives des Figures 3a and 39 reorient respective variants of
fSgc0res 36 e, 37.fSgc0res 36 e, 37.
!.. 'ig0.Ure 40 est un diagame es isoeonoentrations de!iqviMe, celoporteur en fetion Je a proession et de la temp6ratUreo 1r i gi. 41.. ' ri rt c:Ln t sschlISde machines inOduo';f,:i<,, ther-inque a t-rvail.3- trir.u?-. 4 eg 6' égta;ee ?espeegiveento i;Ss fiu,te.s; 3,9. dJ' é0ç:J rS6.5^;cfts0 La 'ih,:;mnrn.a. qemóca un dieposi if selon l __ Ia figm'.e is rprsenplSxt. e^t@-eQcwln dls' b.........='= vent:i.on, dac. la version edite moo6t.ageo Le disposi-tif e% eo:nstitu' par!'t:calion de de.ux elone, 2, co-ntact diphasiques (par exemp à plate%-ux ou gan:5 sages, o n, met en jeu un fluide de tr ail suivant les m,'ait.- pr&i'se i -dess us, Le fluide de travail est in melarge d'au rnîins deux corps purs. iseib!es. Dans tout ce qui sit on simpJlifiera J. Ie.prosC en ne dornnant que des exemples de nmlanges biEaia res. La figre fI doit etre lue avee les conventions ei-apréso valables$ sauf indication e.ntaire. pour tous les sche-mas the,.eiques qui seront Fig. 40 is a diagame of the iso-integration of the carrier, the carrier in operation and the temperature of the carrier. 41. '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '*' 4 ee ee; ee? Espeegiveento i; Ss fiu, te.s; 3.9. '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' '' - ' qemóca a dieposi if according to the figm'.e is rprsenplSxt. ######################################################## the version edite moo6t.ageo The disposi-tif e% eo: nstitu 'by t: calion of de.ux elone, 2, co-ntact two-phase (for example flat% -ux or gan: 5 wise, on, It involves a fluid of trill according to the above-mentioned conditions, the working fluid is mixed with at least two pure iseibite bodies. J. Ie.prosC by dornnant only examples of nmlanges biEaia res .. The figre fI must be read with conventions ei-aproximable valid $ except éntntaire, for all the traine-les the, .eiques which will be
exp] iqués dans ce ijimoire.expe icted in this ijimoire.
- L'axe de temperature T est dirig$ vers le bas du dessin. - The temperature axis T is directed to the bottom of the drawing.
- Dans les colonnes les flux de liquide et de vapeur sont désignés par L et V Les valeurs des débits adventices sont désignés par la lettre m munie d'indices. In the columns, the liquid and vapor flows are designated L and V. The values of the weed rates are denoted by the letter m with indices.
- Si on trace un axe perpendiculaire à l'axe des températures, la tempé- - If an axis perpendicular to the temperature axis is drawn, the temperature
rature est la même pour tous les points coupés par cet axe qu'il s'agisse des points de la colonne, des circuits caloporteurs ou des is the same for all the points cut by this axis whether it is the points of the column, heat transfer circuits or
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sources extérieures.external sources.
Pour réaliser cette condition les colonnes, les circuits calopor- To achieve this condition columns, circuits calopor
teurs et les sources extérieures (ressources: comptées positivement et and external sources (resources: positively counted and
utilisations: comptées négativement) échangent de la chaleur. uses: negatively counted) exchange heat.
En revenant à la figure 4, on note que la colonne Cd de droite (haute pression P, haute température) est une colonne à distiller dont la région à haute température entre To et T'o est un bouilleur qui reçoit une quantité de chaleur Qo de l'extérieur (par exemple d'un caloporteur Returning to FIG. 4, it is noted that the right column Cd (high pressure P, high temperature) is a distillation column whose high temperature region between To and T'o is a boiler which receives a quantity of heat Qo from the outside (for example of a coolant
Mo), et dont on extrait un débit liquide mo à To. Mo), from which a liquid flow mo is extracted at To.
La région à bas niveau est un condenseur qui rejette à l'extérieur une chaleur Q1 entre T1 et T1, (par exemple vers un caloporteur M1,) et The low-level region is a condenser that discharges a heat Q1 between T1 and T1, for example towards a coolant M1, and
dont on extrait un débit de condensat m1 à T1. from which a flow of condensate m1 is extracted at T1.
Cette colonne comporte tout au long de son domaine de tempéra- This column has throughout its temperature range
ture T T une distribution de débits élémentaires dm de soutirage ou ol1 d'injection du fluide de travail (débits adventices) qui échangent leur t T T a basic flow distribution dm withdrawal or ol1 injection of the working fluid (weed rates) which exchange their
chaleur sensible avec la colonne; par construction les débits adven- sensible heat with the column; by construction the flow rates
tices sont ajustés pour que les échanges avec la colonne correspondent en tous points à la fourniture d'une quantité de chaleur égale à l'activité thermique de la colonne. La détermination des dm se fait de la façon suivante: These are adjusted so that the exchanges with the column correspond in every respect to the supply of a quantity of heat equal to the thermal activity of the column. The determination of the dm is done as follows:
Le caleul se déroule pas par pas vers les températures décrois- The caleul takes place step by step towards decreasing temperatures.
santes en partant de T. Supposons qu'à un stade du calcul on soit arrivé o en T', on connait donc L' V' et tous les dm calculéas entre To et T', écrivons les équations pour le pas de calcul élémentaire T' T (deux starting from T. Let us suppose that at a stage of computation we have reached o at T ', we therefore know L' V 'and all the dm calculated between To and T', write the equations for the step of elementary computation T 'T (two
équations de conservations du débit, conservation de l'enthalpie). flow conservation equations, conservation of enthalpy).
LI - V' +Idmi = L - V + dmi + dm(T) x' L' -y' V' +, xi dmi = x L - y V + xi dmi + n dm h' L' - H' V' +E hi mi = h L - H V + hi dmi + h dm + dq, Le liquide et la vapeur étant par en hypothèse en équilibre en T et T', les grandeurs thermodynamique (x, y, h, H) sont connues, dq est l'apport de chaleur extérieure et est une donnée; on a donc trois équations linéaires avec L, V, dm comme inconnu, on peut donc résoudre de proche en LI - V '+ Idmi = L - V + dmi + dm (T) x' L '-y' V '+, xi dmi = x L - y V + xi dmi + n dm h' L '- H' V '+ E hi mi = h L - HV + hi dmi + h dm + dq, The liquid and the vapor being hypothetically in equilibrium at T and T', the thermodynamic quantities (x, y, h, H) are known , dq is the external heat input and is a datum; so we have three linear equations with L, V, dm as unknown, so we can solve from near
proche de To à T1; la colonne ainsi obtenue est strictement réversible. close to To at T1; the column thus obtained is strictly reversible.
Notons que la pratique du calcul indique que les sections du type To ou T'1 qui sont à limite entre une zone d'échange, et une zone adiabatique reçoivent des débits adventices de valeur finie. La colonne de gauche Cg (bouilleur entre Tg0 et T'go, condenseur entre T'g1 et Tg1, débit des caloporteurs Mgo, Mg1) est la colonne inverse de la colonne de It should be noted that the practice of calculation indicates that the sections of type To or T'1 which are at the boundary between an exchange zone and an adiabatic zone receive adventitious flows of finite value. The left column Cg (boiler between Tg0 and T'go, condenser between T'g1 and Tg1, coolant flow Mgo, Mg1) is the reverse column of the column of
droite. Ce terme inverse est expliqué plus loin. On note que les dispo- right. This inverse term is explained later. It is noted that the provisions
sitions qui ont été prises pour la colonne de droite lui confèrent un taken for the right-hand column give it a
fonctionnement entièrement réversible. fully reversible operation.
La colonne de gauche est à plus basse pression Pg et par suite à The left column is at lower pressure Pg and therefore at
plus basse température; elle reçoit en sens inverse les débits adven- lower temperature; it receives in the opposite direction the flow rates
tices de la colonne de droite dans des sections homologues o règne la of the right-hand column in homologous sections where the
même concentration liquide à l'équilibre. Elle comporte les mêmes carac- same liquid concentration at equilibrium. It has the same characteristics
téristiques générales de fonctionnement que la première colonne notam- general operating characteristics that the first column, in particular
ment en ce qui concerne les échanges avec les dm. with regard to trade with DMs.
Les échanges de masse donnent lieu à l'arrivée d'un dm dans une section Mass exchanges result in the arrival of a DM in a section
à même concentration, même température. at the same concentration, same temperature.
15. Les échanges de chaleur se font à température constante. Dans la machine monoétagée que nous examinons actuellement, la pression Pg est établie de façon telle que Tgo = T1. Ainsi, l'ensemble des deux colonnes couvre de façon continue le domaine de température To Tg1; on trouve une 15. Heat exchanges are at constant temperature. In the single-stage machine we are currently examining, the pressure Pg is set such that Tgo = T1. Thus, the set of two columns continuously covers the temperature domain To Tg1; we find a
seule colonne à chaque température. single column at each temperature.
Cg sera la colonne inverse de Cd si toutes les grandeurs du type "flux" (débits, échanges de chaleur, etc...) sont égales et de signe Cg will be the inverse column of Cd if all the quantities of the "flux" type (flows, heat exchanges, etc ...) are equal and of sign
contraire dans toutes sections homologues. Examinons à quelles condi- contrary in all homologous sections. Let's look at what conditions
tions Cg est effectivement colonne inverse de Cd. Cg is actually reverse column of Cd.
A cet effet écrivons les équations pour la tranche T'g Tg homo- For this purpose, write the equations for the slice T'g Tg homo-
logue de T' T (1) L'g - V'g +Vg +indmgi + dmg (Tg) (2) x'g L'g - y'g V'g + xgi dmgi = xg Lg - yg Vg + xgi dmgi + xg dmg (Tg) (3) h'g L'g - H'g V'g hgi dmgi = hg Lg - Hg Vg hgigi dmgi + hg dmg (Tg) + dqg est l'apport de chaleur extérieure Cg sera inverse de C si si toute section à température Tg est inverse de son homologue à température T. Supposons que la section T'g soit inverse de T': L'g = L', V'g = V', dmgi = dmi logue of T 'T (1) The g - V'g + Vg + indmgi + dmg (Tg) (2) x'g The g - y'g V'g + xgi dmgi = xg Lg - yg Vg + xgi dmgi + xg dmg (Tg) (3) h'g The g - H'g V'g hgi dmgi = hg Lg - Hg Vg hgigi dmgi + hg dmg (Tg) + dqg is the external heat input Cg will be inverse of C if if any section with temperature Tg is inverse of its homologue with temperature T. Suppose that the section T'g is inverse of T ': The g = L', V'g = V ', dmgi = dmi
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la section Tg sera inverse de la section T si les solutions Lg, Vg, dm (tg) du système (1) + (2) + (3) sont telles que Lg = L, the section Tg will be inverse of the section T if the solutions Lg, Vg, dm (tg) of the system (1) + (2) + (3) are such that Lg = L,
Vg = V, dm (Tg) = dm (T).Vg = V, dm (Tg) = dm (T).
Pour qu'il en soit ainsi il faut: 5. Conditions 1 yg: y Hg = H + A hg = H +, étant une grandeur arbitraire Condition 2 dqg = dq Les conditions 1 signifient que les diagrammes de Merckel établis pour For this to be so it is necessary: 5. Conditions 1 yg: y Hg = H + A hg = H +, being an arbitrary quantity Condition 2 dqg = dq The conditions 1 mean that the Merckel diagrams established for
les pressions Pg et P se déduisent l'un de l'autre par une translation. the pressures Pg and P are deduced from each other by a translation.
Cette propriété n'est pas loin d'être réalisée dans la pratique pour la This property is not far from being realized in practice for the
plupart des diagrammes de mélange, bien qu'elle ne le soit pas stricte- most mixing diagrams, although it is not strictly
ment; c'est en quelque sorte une '"propriété à la limite" analogue au concept de gaz parfait; nous dirons que dans ce cas que le diagramme de is lying; it is in a way a "property at the limit" analogous to the concept of perfect gas; we will say that in this case the diagram of
Merckel est idéal (à notre point de vue). Merckel is ideal (from our point of view).
Pour finir on voit que l'association de deux colonnes telles que décrites ci-dessus ne peut donner lieu à un fonctionnement strictement Finally we see that the association of two columns as described above can not give rise to a strictly
réversible que dans un diagramme de Merckel idéal. reversible only in an ideal Merckel diagram.
La condition 2 s'interprète ainsi: Si on apporte à une colonne de la chaleur suivant une distribution donnée, on suscite dans la colonne inverse l'apparition d'un "besoin de chaleur" suivant une distribution inverse, que nous dénommerons "chaleur induite". Ainsi, dans la figure 4, l'apport de chaleur Q le long du domaine To To par un caloporteur M induit une chaleur de même valeur Qg = Qo entre Tg0 et Tg'o, qu'on doit prélever au niveau de l'utilisation; de même l'apport Qg1 entre T'g1 et Tg1 induit la chaleur Q1 = Qg1 entre T'1 et T1 qu'on doit également évacuer. Remarquons que l'on pourrait aussi bien considérer Q0o, comme induite par Qgo, et qu'il s'agit donc bien d'un Condition 2 can be interpreted as follows: If a column of heat is brought to a given distribution, the appearance of a "heat demand" in the reverse column is called up in inverse distribution, which we will call "induced heat". ". Thus, in FIG. 4, the heat input Q along the To To domain by a coolant M induces a heat of the same value Qg = Qo between Tg0 and Tg'o, which must be taken at the level of use. ; in the same way the contribution Qg1 between T'g1 and Tg1 induces the heat Q1 = Qg1 between T'1 and T1 which one must also evacuate. Note that one could as well consider Q0o, as induced by Qgo, and that it is therefore indeed a question of
couplage entre les caloporteurs M et Mgo. coupling between heat transfer fluids M and Mgo.
La propriété qu'on vient de décrire est considérée comme essen- The property just described is considered to be
tielle, pour cette raison on dénomme les machines qui dérivent de ce for this reason we call machines that derive from this
principe "machine à inductions thermique". principle "thermal induction machine".
On peut encore dégager quelques propriétés de ces systèmes: - 13- 1/ On a Q1 Qo. = hi (T1) mi d'o Q 1 Qo Qo = Qg Q1 Qgl Q + Qg COA = i-- Qo (COA = coefficient d'amplitude = chaleur à l'utilisation chaleur a la source ehaude) 2/ La position de l'utilisation par rapport auxt sources r sulte de la construction (figure 5) sur le diagramme de Merekel * elle est riCide eF Some properties of these systems can still be distinguished: - 13- 1 / We have Q1 Qo. = hi (T1) mi of o Q 1 Qo Qo = Qg Q1 Qgl Q + Qg COA = i - Qo (COA = coefficient of amplitude = heat with the use of heat at the source of heat) 2 / The position of the use in relation to the sources comes from the construction (figure 5) on the Merekel diagram * it is riCide eF
seule cette position est de nature a assurer un fonetiornoernt rversi- only this position is likely to ensure a steady flow of
hble; il faut done c eonsidérer comme une sorte du point no-isai; l'étude des foncticrmenents hors du poiat nominal n'aura de sons ei u'l Hble; it must therefore be considered as a kind of the no-isai point; the study of functions outside the nominal capacity will have no sound and no
propos des machines réelles.about real machines.
Les dispositils muJ.tietages sont eeux o les deux coloennes> eonti- The multimedia devices are those where the two colors are
nuant de fcnetionner de faorn analogue à precedeent peuvent a Ur. In such cases, it is possible to use the same method as Ur.
intervalle de tenpCrature en copmun (figure 6). interval of tenpCrature in copmun (figure 6).
Lorsqu'on entreprend de ca.lculer un i el systèma pas par pas en partant de To on doit décider à partir de T d9une procédure dif'-rente When starting to run a system step by step from To, we have to decide from a different procedure
de celle décrite précédernment.from that described previously.
Plaçons nous au stade du calcul à une tepérature T située dans une zone commune aux deux colonnes. Supposons que tous les débits adventic',-es jusqu'à T' aieat déjà été calculés pour la colonne de droite; la colonne de gauche en est deéjà pourvue jusqu'à T'g. Pour caleuler la t'-anche T T'l on doit maintenant ecrire: 2 équations de débit pour la colonne de gauche (inconnues Lg, Vg) 2 équations de débit pour la colonne de droite (inconnues L, Vq dm(T " 1 équation d'enthalpie pour l'ensemble du système compris entre T et Let us situate ourselves at the stage of computation at a temperature T situated in an area common to both columns. Assume that all adventitious rates up to T have already been calculated for the right column; the left column is already provided up to T'g. To caleuler the T T'l we must now write: 2 flow equations for the left column (unknowns Lg, Vg) 2 flow equations for the right column (unknown L, Vq dm (T "1 enthalpy equation for the entire system between T and
* T', c'est-à-dire les deux eolonnes et l'ensemble des débits adventices.* T ', that is to say the two eolumns and the set of weed rates.
Soit 5 équations linéaires, 5 inconnues, on peut done de proche en proche Let 5 linear equations, 5 unknowns, so we can gradually
trouver la solution (structure des débits L, V, Lg, Vg, dm). find the solution (flow structure L, V, Lg, Vg, dm).
Dans cette façon de faire on perd de vue comment les échanges entre colonne et faisceaux de dm sont effectués. Nous cherchons maintenant à In this way we lose sight of how the exchanges between column and beams of DM are performed. We are now looking to
éclairer ce dernier point. Pour y parvenir on va s'efforcer d'identifier dans le systèmeilluminate this last point. To achieve this we will try to identify in the system
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multiétagé de la figure 6, les systèmes monoétagés qui en sont consti- multistage of Figure 6, the single-stage systems constituting
tutifs. A cet effet, on établit dans le système une coupure suivant la figure 7, qui interrompt la continuité des débits L1, V1, L1g, V1g, et on installe aux limites des deux systèmes S et S' ainsi constitués en 1, 1', tutifs. For this purpose, there is established in the system a cutoff according to FIG. 7, which interrupts the continuity of the flow rates L1, V1, L1g, V1g, and the two systems S and S 'thus constituted at 1, 1' are installed at the limits of
lg, 1'g, des condenseurs et évaporateurs, et on referme les débits liqui- lg, 1'g, condensers and evaporators, and the liquid flow rates are closed again.
des ml, m'1 entre colonnes homologues (figure 8). Par hypothèse 1, 1', lg, 1'g sont des écarts de température très faibles; les échangeurs situés de part et d'autre de la coupure (condenseurs et évaporateurs 1, 1', lg, 1'g) ont des fonctionnements inverses. Si on recolle la coupure on retrouve la figure 6. Si on la maintient, on voit S et S' fonctionner de la même façon (structure des débits L, V, Lg, Vg, dm, identiques à ml, m'1 between homologous columns (Figure 8). By hypothesis 1, 1 ', 1g, 1'g are very small temperature differences; the exchangers located on either side of the break (condensers and evaporators 1, 1 ', 1g, 1'g) have reverse operations. If we close the cut again we find figure 6. If we maintain it, we see S and S 'work in the same way (structure of the flow rates L, V, Lg, Vg, dm, identical to
l'apparition près des débits m1, m'1). emergence near flows m1, m'1).
Du point de vue des échanges de chaleur avec les colonnes, les débits m1 et m, sont équivalents à: m1m = m1' - m1 = LV (figure 9) Mi i 1 i i Dans le système S, m1 réchauffe la colonne Oglg qui lui est From the point of view of the exchanges of heat with the columns, the flow rates m1 and m, are equivalent to: m1m = m1 '- m1 = LV (figure 9) Mi i 1 ii In the system S, m1 warms the column Oglg which him is
associée; dans le système S', c'est la colonne 1'2 qui réchauffe m;. associated; in the system S ', it is the column 1'2 which heats m ;.
Si nous revenons au système primitif en recollant la coupure tous If we go back to the primitive system by gluing the cut all
les éléments de notre constructions disparaissent; il reste que l'exis- the elements of our constructions disappear; the fact remains that
tence fictive des débits m précédents étaient révélateurs d'une cession fictitiousness of the previous m flows were indicative of an assignment
de chaleur de la colonne 12 à la colonne Oglg, équivalente à la circula- column 12 to the Oglg column, equivalent to the circula-
tion en circuit fermé du caloporteur m = L1 - V1 (voir figure 9). closed circuit coolant m = L1 - V1 (see Figure 9).
Le raisonnement que l'on vient de tenir est indépendant de tout ce qui peut se passer par ailleurs dans le système, et notamment: La colonne 01 est certainement munie d'une source de chaleur; on va donc trouver nécessairement sur la colonne Oglg la distribution de chaleur induite. On aura le choix entre: 30. La fournir directement à une utilisation, La céder à la colonne en vis-à-vis entre les mêmes températures; dans ce cas cette distribution de chaleur sera induite une nouvelle fois The reasoning just taken is independent of anything else that may happen in the system, including: Column 01 is certainly equipped with a heat source; we will therefore necessarily find on the Oglg column the induced heat distribution. One will have the choice between: 30. To supply it directly to a use, to give it to the column in opposite vis-à-vis between the same temperatures; in this case this heat distribution will be induced again
sur la colonne de gauche et ainsi de suite. on the left column and so on.
Les machines multiétagées sont construites à l'aide d'un jeu de construction dont on va préciser les règles en terminant la machine qu'on Multi-stage machines are built using a construction game which we will specify the rules by finishing the machine we
- 15 -2557277- 15-2557277
a commencé.has begun.
A partir du tronçon de départ 01, (figure 10), beaucoup de choses sont déjà déterminées et notamment: Starting from the starting section 01, (FIG. 10), many things have already been determined, and in particular:
le tronçon inverse Oglg.the opposite section Oglg.
5. Le tronçon direct en vis-à-vis 12. On les construit sur le diagramme de Merckel comme des marches d'escalier entre les courbes x(T) 5. The direct section vis-à-vis 12. They are built on the Merckel diagram as steps between the x (T) curves
correspondant aux pressions P et Pg (figure 11). corresponding to the pressures P and Pg (Figure 11).
Toujours suivant cette construction en marches d'escalier on peut Always following this staircase construction you can
représenter la distribution de chaleur Q selon 00' par une suite d'in- represent the heat distribution Q according to 00 'by a sequence of in-
ductions et d'échanges en vis-à-vis jusqu'à ce que finalement elle sorte ductions and exchanges vis-à-vis until finally she sort
de la colonne de gauche (par exemple en lg 1'g). from the left column (for example in lg 1'g).
De même Q2 introduite en 3g 3'g ressortira de C en 22'; le système est quadritherme; pour le rendre tritherme il faut prévoir les marches d'escalier pour que Qo0 et Q2 sortent du système dans le domaine de Similarly Q2 introduced in 3g 3'g will emerge from C in 22 '; the system is quadritherme; to make it trithermatic it is necessary to foresee the steps of staircase so that Qo0 and Q2 leave the system in the field of
température prescrit pour l'utilisation. temperature prescribed for use.
Il n'a été décrit jusqu'ici que des machines théoriques. Until now, only theoretical machines have been described.
On va maintenant décrire divers modes de réalisation de machines réelles. Les machines réelles se distinguent des machines théoriques par les deux points suivants: - les diagrammes de Merckel des fluides utilisés dans les machines réelles ne sont pas des diagrammes parfaits Various embodiments of real machines will now be described. The actual machines differ from the theoretical machines by the following two points: - Merckel diagrams of fluids used in real machines are not perfect diagrams
- le nombre de débits adventices est fini. - the number of weed flows is over.
Il a été calculé, au moyen de programmes numériques, des machines trithermes réelles dans lesquelles le liquide et la vapeur évoluent légèrement hors d'équilibre pour permettre aux bilans enthalpiques It has been calculated, using numerical programs, real trithermal machines in which the liquid and the vapor evolve slightly out of equilibrium to allow the enthalpic balances
d'être satisfaits.to be satisfied.
Il en résulte un léger écart du COA réel par rapport au COA théo- This results in a slight difference in the actual COA compared to the COA theo-
rique (dans l'exemple ci-après 1,91 au lieu de 1,95). (in the example below 1.91 instead of 1.95).
Une machine réelle, dans son mode de représentation convention- A real machine, in its conventional mode of representation
nelle, apparait dans la figure 12 et plus en détail dans la figure 13, tandis que la figure 14 la représente dans une configuration de it is shown in FIG. 12 and in more detail in FIG. 13, while FIG. 14 shows it in a configuration of FIG.
construction réelle.real construction.
Figure 12 La machine comprend une colonne Kd et une colonne Kg, fonctionnant avec Figure 12 The machine comprises a column Kd and a column Kg, operating with
un mélange de R113 et R114.a mixture of R113 and R114.
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La colonne Kd reçoit de la chaleur Qo0 entre les températures To et T'o et The column Kd receives heat Qo0 between the temperatures To and T'o and
fournit de la chaleur Q'1 entre les températures T'i et T1. provides heat Q'1 between the temperatures T'i and T1.
La colonne Kg fournit de la chaleur Q"1 entre Tgo (= T'1) et T'go (=T1) et reçoit de la chaleur Q2 entre les températures T'g1 et Tg1 Il existe cinq débits adventices: un premier débit mo, de Kd à To vers Kg à Tgo échangeant de la chaleur à à T constant avec un second débit m' de Kg à T'go à Kd à T'oi O un troisième débit m1 de Kd à T1 (= Tgo) à Kg à Tg1 échangeant de la chaleur avec un quatrième débit m'1 de Kg à T'g1, un cinquième débit mm de Kg à Kd échangeant de la chaleur avec Kg de Tgm à Tg1 et avec Kd de Tgo Column Kg furnishes heat Q "1 between Tgo (= T'1) and T'go (= T1) and receives heat Q2 between temperatures T'g1 and Tg1. There are five weed rates: a first flow rate Mo , from Kd to To, Kg to Tg, exchanging heat at constant T with a second rate m 'from Kg to T'go at Kd to T'oi O a third rate m1 from Kd to T1 (= Tgo) to Kg at Tg1 exchanging heat with a fourth flow rate m'1 Kg T'g1, a fifth flow mm Kg to Kd exchanging heat with Kg Tgm Tg1 and Kd Tgo
(= T1) à Tg, Tgm et Tg étant sensiblement les températures intermé- (= T1) at Tg, Tgm and Tg being substantially the intermediate temperatures
diaires des colonnes Kg et Kd.columns Kg and Kd.
Figure 13 La figure 12 établie avec les conventions établies page 9 à partir de la ligne 26. La figure 13 explicite ce schéma en mettant en évidence les composants qui réalisent les échanges thermiques. La convention reliative Figure 13 Figure 12 established with the conventions established on page 9 from line 26. Figure 13 explains this diagram by highlighting the components that perform the heat exchange. The Reliative Convention
à l'axe des températures subsiste. On voit qu'il est nécessaire d'uti- at the temperature axis remains. We see that it is necessary to use
liser quatre échangeurs E1, E2, E3, E4 Les notations indiquent que: - le débit mo se dédouble en m et m read four exchangers E1, E2, E3, E4 The ratings indicate that: - the mo flow is doubled in m and m
- le débit m se*dédouble en m et mm puis m1 et mm. the flow m is doubled in m and mm then m1 and mm.
M m m m 1M m m m 1
- le débit m1 se dédouble en m1 et m1. the flow m1 is doubled in m1 and m1.
avec m = ml o o mo = m1* m** = m1** m 1 = m' with m = ml where m = m1 * m ** = m1 ** m 1 = m '
Chaque échangeur est du type à contre-courant et travaille à dif- Each exchanger is of the countercurrent type and works
férence de température constante en chaque point. constant temperature difference in each point.
Des pompes P1, P2, P3 assurent la circulation des liquides. P1, P2, P3 pumps ensure the circulation of liquids.
Figure 14 La figure 14 représente, avec ses composants sur pieds, la machine Figure 14 Figure 14 shows, with its components on feet, the machine
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tritherme représentée schématiquement dans les figures 12 et 13. Les conventions relatives aux axes de températures et de pesanteur sont trithermally shown schematically in Figures 12 and 13. The conventions relating to the axes of temperature and gravity are
abolies pour faire place à des conventions classiques de représentation. abolished to make room for conventional conventions of representation.
On a isolé les portions de colonnes échangeant de la chaleur avec l'extérieur, à savoir: The column portions exchanging heat with the outside have been isolated, namely:
- un bouilleur BD et un condenseur Cd pour la colonne Kd- a BD boiler and a Cd condenser for the Kd column
- un bouilleur Bg et un condenseur Cg pour la colonne Kg. a boiler Bg and a condenser Cg for the column Kg.
La colonne Kd est à haute pression (5 bars) alors que la colonne Kg Column Kd is at high pressure (5 bars) while Column Kg
est à la pression atmosphérique.is at atmospheric pressure.
Les indications numériques à côté des bouilleurs et condenseurs correspondent à l'échange de chaleur avec l'extérieur exprimé en kilowatts. Les flèches noires indiquent les débits liquides en litre par seconde. The numerical indications beside the boilers and condensers correspond to the heat exchange with the outside expressed in kilowatts. The black arrows indicate the liquid flow rates in liters per second.
Les flèches en tiretés représentent les flux vapeur. The dashed arrows represent the steam flows.
Les températures de fonctionnement sont les suivantes: T'0 à l'entrée du bouilleur Bd = 85,830C TO à la sortie du bouilleur Bd = 86,330C T'1 à l'entrée du condenseur Cd = 60,89 C T1 à la sortie du condenseur Cd = 60, 39 C Tgo = T1 à l'entrée du bouilleur Bg = 60,390C T'go à la sortie du bouilleur B = 59,89 C T'g1 à l'entrée du condenseur C = 34,94 C Tgl = T2 à la sortie du condenseur Cg = 34,540C The operating temperatures are as follows: T'0 at the boiler inlet Bd = 85.830C TO at the boiler outlet Bd = 86.330C T'1 at the condenser inlet Cd = 60.89 C T1 at the outlet of the condenser Cd = 60, 39 C Tgo = T1 at the boiler inlet Bg = 60.390C T'go at the boiler outlet B = 59.89 C T'g1 at the condenser inlet C = 34.94 C Tgl = T2 at the condenser outlet Cg = 34.540C
On observe que les écarts de température aux extrémités des élé- It is observed that the temperature differences at the ends of the
ments d'échange thermique avec l'extérieur (bouilleurs, condenseurs) est de l'ordre de 0,5 degré. On utilise donc des bouilleurs et condenseurs classiques. Les échanges internes de la machine, mettant en jeu le fluide de travail, sont les suivants: Echangeur E1: 215 kW Echangeur E2 20 kW Echangeur E3: 0,7 kW Echangeur E4: 2,04 kW Colonne Kd 2,84 kW heat exchange with the outside (boilers, condensers) is of the order of 0.5 degrees. We use conventional boilers and condensers. The internal exchanges of the machine, involving the working fluid, are as follows: Exchanger E1: 215 kW Exchanger E2 20 kW Exchanger E3: 0.7 kW Exchanger E4: 2.04 kW Column Kd 2.84 kW
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Colonne Kg 2,57 kW Utilisation (condenseur Kd et Kg): 72 kW Les échanges internes, dans cet exemple, sont trois fois plus élevés que la puissance d'utilisation, mais les échanges avec les Column Kg 2.57 kW Use (condenser Kd and Kg): 72 kW Internal exchanges, in this example, are three times higher than the power of use, but the exchanges with the
colonnes sont très faibles (de l'ordre de 7%). columns are very weak (about 7%).
On voit que les machines à induction trithermes sont constituées technologiquement par l'assemblage de plusieurs types de sous-ensembles des bouilleurs et condenseurs classiques à mélange - des échangeurs liquide-liquide à contre-courant o circule le fluide de travail liquide des accessoires tels que pompes et laminages liquides - des dispositifs constitués par des colonnes à contact équipées It can be seen that trithermal induction machines are technologically constituted by the assembly of several types of subassemblies of conventional condensing boilers and condensers - countercurrent liquid-liquid heat exchangers - circulates the liquid working fluid of accessories such as pumps and liquid lamination - devices consisting of contact columns equipped with
d'échangeurs. Ces dispositifs sont en fait constitués par la Juxtapo- exchangers. These devices are in fact constituted by the Juxtapo-
sition en série sur le liquide et la vapeur du fluide de travail d'élé- Series on the liquid and vapor of the working fluid of
ments de transfert thermique que nous avons décrits en début de ce mémoire dans ses principes. Nous décrirons ces éléments plus loin sous thermal transfer which we have described at the beginning of this memoir in its principles. We will describe these elements further under
l'aspect de leur mode de réalisation technologique. the aspect of their technological embodiment.
Les figures 15 et 16 sont deux schémas d'une variante de réali- Figures 15 and 16 are two diagrams of a variant embodiment of
sation de la machine.machine.
Dans ces deux figures, les conventions relatives à l'axe unique des températures dirigé vers le bas et à l'axe de pesanteur sont reprises. La figure 15 montre que: - les écarts des températures des bouilleurs et des condenseurs est de C environ, - on a conservé le même nombre et la même disposition pour les débits adventices. In these two figures, the conventions relating to the single axis of the temperatures directed downwards and to the axis of gravity are repeated. Figure 15 shows that: - The differences in the temperatures of the boilers and condensers is about C, - the same number and the same arrangement for the weed rates have been kept.
La figure 16 est une représentation conventionnelle plus détail- Figure 16 is a more detailed conventional representation
lée, dans laquelle on fait intervenir les à T d'échange des divers échangeurs. On retrouve les bouilleurs, condenseurs et échangeurs de la in which the exchange of the various exchangers is involved. There are boilers, condensers and heat exchangers
figure 14, mais avec les notations ci-après: E01, E12, Eml, Elm. Figure 14, but with the following notations: E01, E12, Eml, Elm.
De plus, on adjoint à la machine: - un échangeur Eup de faible puissance sup -,9 - In addition, there is added to the machine: - a low power Eup exchanger - 9 -
- un flash F à l'entrée du bouilleur Bg. - A flash F at the entrance of the boiler Bg.
En effet, dans la partie haute température du cycle, le A T d'échange dans l'échangeur Qeo1 est égal à l'intervalle de température du bouilleur To-To. De la même façon les tT d'échange pour l'ensemble du cycle à haut niveau s'organisent d'eaux mêmes. A bas niveau de tempé- rature, la situation des échangeurs s'inverse, car le compartiment d'échangeur réchauffant se trouve à une température inférieure à celle Indeed, in the high temperature portion of the cycle, the exchange AT in the exchanger Qeo1 is equal to the temperature range of the To-To boiler. In the same way, the exchange tTs for the entire high-level cycle are organized from the same waters. At low temperature, the exchanger situation is reversed because the heat exchanger compartment is at a lower temperature than the heat exchanger compartment.
du compartiment réchauffé.warmed compartment.
On corrige cette situation en utilisant un échangeur supplémen- This situation is corrected by using an additional exchanger
taire (de puissance faible) et en réalisant un petit flash de 5 C du silent (low power) and making a small flash of 5 C from
fluide de travail qui rentre dans le bouilleur Bg. working fluid that enters the boiler Bg.
Les puissances échangées sont: - dans l'échangeur E01: 266 kW - dans l'échangeur E12: 43,6 kW - dans l'échangeur E 1: 25,6 kW - dans l'échangeur Em: 20 kW - dans l'échangeur E: 14 kW - dans la colonne Kd 82 kW - dans la colonne Kd: 73 kW - dans la colonne Kg: 73k - à l'utilisation (Cd+Cg): 449 + 476 kW = 925 kW Les échanges internes par échangeurs liquide-liquide représentent environ 40% de la puissance utile; les échanges dans les colonnes The powers exchanged are: - in the heat exchanger E01: 266 kW - in the heat exchanger E12: 43.6 kW - in the heat exchanger E 1: 25.6 kW - in the heat exchanger Em: 20 kW - in the heat exchanger exchanger E: 14 kW - in column Kd 82 kW - in column Kd: 73 kW - in column Kg: 73k - in use (Cd + Cg): 449 + 476 kW = 925 kW Internal exchanges by exchangers liquid-liquid represent about 40% of the useful power; the exchanges in the columns
représentent environ 17% de la puissance utile. represent about 17% of the useful power.
Ces deux exemples indiquent comment et avec quel ordre de grandeur l'intervalle de température des sources extérieures agissent sur les échanges internes: Quant on se rapproche des échanges isothermes ( T petit), les échanges internes liquide-liquide deviennent très importants par rapport à la puissance thermique du système en même temps que les échanges avec les These two examples indicate how and with which order of magnitude the temperature interval of the external sources act on the internal exchanges: As one approaches the isothermal exchanges (T small), the internal liquid-liquid exchanges become very important compared to the thermal power of the system at the same time as the exchanges with the
colonnes diphasiques deviennent évanescents. two-phase columns become evanescent.
Pour A T = 5 , les échanges liquide-liquide internes sont fai- For A T = 5, the internal liquid-liquid exchanges are
bles, cependant que les échanges avec les colonnes ne sont pas encore prohibitifs et paraissent réalisables avec des moyens technologiques existants. Les figures 17 et 18 illustrent un autre exemple de machine dans However, the exchanges with the columns are not yet prohibitive and seem feasible with existing technological means. Figures 17 and 18 illustrate another example of a machine in
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laquelle les sources de chaleur échangent avec l'extérieur avec un grand écart de température (de l'ordre de 11 C). On note: qu'il n'y a plus que quatre débits adventices; celui dénommé mm dans which heat sources exchange with the outside with a large temperature difference (of the order of 11 C). Note that there are only four weed rates; the one called mm in
les exemples précédents est devenu inutile. the previous examples became useless.
5. que les deux colonnes Kd et Kg comprennent des parties importantes à 5. that the two columns Kd and Kg include important parts to
co-courant, telles que le système vu sur pied comprendrait 4 colonnes. co-current, such as the system seen on foot would include 4 columns.
Le schéma explicite fait apparaître trois échangeurs liquide-liquide de puissance: Eo,1 = 93,96 kW E1,1 = 6,13 kW E11,g' = 28,8 kW donc au total 195 kW, valeur devenue faible par rapport à la puissance The explicit diagram shows three liquid-liquid heat exchangers: Eo, 1 = 93.96 kW E1,1 = 6.13 kW E11, g '= 28.8 kW, therefore a total of 195 kW, a low value compared to the power
utile 982 kW.useful 982 kW.
Examinons les échanges avec colonnes diphasiques le long des dif- Let's look at two-phase column exchanges along the dif-
férents éléments de transfert: o00' avec le fluide de travail 75,2 kW avec le caloporteur extérieur 496 kW 571,2 kW 0'1' avec le fluide de travail 2,28 kW il' avec le fluide de travail 50,74 kW avec le fluide caloporteur 496 kW 549 kW og og' avec le fluide de travail 96,3 kW avec le caloporteur 486 kW 582.3 kW o'g l'g avec le fluide de travail 12 kW avec le fluide caloporteur 21 kW l'g lg avec le fluide de travail 481 kW 514 kW Enfin 2281 kw sont échangés directement avec la colonne diphasique Transfer elements: o00 'with working fluid 75,2 kW with external coolant 496 kW 571,2 kW 0'1' with working fluid 2,28 kW il 'with working fluid 50,74 kW with the heat transfer fluid 496 kW 549 kW og og 'with the working fluid 96,3 kW with the coolant 486 kW 582.3 kW o'g the g with the working fluid 12 kW with the coolant 21 kW the g lg with the working fluid 481 kW 514 kW Finally 2281 kw are exchanged directly with the diphasic column
dont 1971 avec les caloporteurs extérieurs, 310 avec le fluide de tra- of which 1971 with the external coolants, 310 with the fluid of
vail.vail.
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On notera les conclusions ci-après: Note the following conclusions:
Les intervalles de température d'échange avec les sources exté- Temperature intervals of exchange with external sources
rieures confèrent à la technologie des machines certains certains carac- machines give some of the characteristics of certain
tères contrastés: - les machines échangeant avec des sources isothermes au niveau de bouil- leurs et condenseurs relativement classiques comprennent par ailleurs: contrasted: - machines exchanging with isothermal sources at relatively conventional boilers and condensers also include:
des échanges liquide-liquide importants. significant liquid-liquid exchanges.
À des échanges dans les colonnes de faible importance. To exchanges in small columns.
- les machines échangeant avec des caloporteurs de chaleur sensible - machines exchanging with sensible heat transfer fluids
comprenant des échanges caloporteurs-colonne tout à fait prépondérants. including heat transfer-column quite preponderant.
A ces deux types de machine, il faudra apporter des solutions To these two types of machine, it will be necessary to provide solutions
technologiques différentes pour les échanges entre colonne et calopor- different technologies for interchange between column and heat
teurs. Pour les machines échangeant avec des sources isothermes une tors. For machines exchanging with isothermal sources a
colonne réalisée selon le schéma de la figure 19 peut être utilisé. column made according to the diagram of Figure 19 can be used.
Elle comprend un garnissage classique G (anneaux Raschig par It includes a classic G filling (Raschig rings by
exemple); le circuit caloporteur C comporte une succession de serpen- example); the heat transport circuit C comprises a succession of serpents
cc
tins horizontaux tels que 5, placés à différents niveaux discrets. horizontal lines such as 5, placed at different discrete levels.
Pour les machines échangeant avec des sources sensibles, qui nécessitent un échange plus important, on utilisera, de préférence, un For machines exchanging with sensitive sources, which require a higher exchange rate, one will preferably use a
échangeur comme celui de la figure 20. exchanger as that of Figure 20.
Le fluide diphasique circule dans des tubes T munis d'un garnis- The two-phase fluid flows in tubes T equipped with a lining
sage ou d'un ressort spirale; le fluide caloporteur circule entre les tubes. On obtient ainsi un maximum de surface d'échange avec une perte de wise or spiral spring; the heat transfer fluid circulates between the tubes. This gives a maximum of exchange surface with a loss of
charge très faible.very low charge.
Les trois exemples de réalisation qui ont été donnés en référence aux figures 12 à 14, 15 et 16, 17 et 18 respectivement concernent des machines monoétagées dans lesquelles on fournit de l'énergie à haut niveau de température, on prélève de l'énergie d'une source à bas niveau 3G de température (tel que nappe phréatique) et on obtient de l'énergie à The three exemplary embodiments which have been given with reference to FIGS. 12 to 14, 15 and 16, 17 and 18 respectively relate to single-stage machines in which energy is supplied at a high temperature level. a low level 3G temperature source (such as groundwater) and energy is obtained at
température intermédiaire.intermediate temperature.
Le schéma de la figure 21 représente une machine tritherme qui reçoit de l'énergie thermique Qil' Qi2 à température intermédiaire T1, T'1, T, T1 'go et fournit des calories Qh à haut niveau de température To, T' tout en rejetant de l'énergie Qb à bas niveau de température T2, T'2o T' tout en rejetant de l'énergie Qb à bas niveau de température T2 T' o 2'2 The diagram of FIG. 21 represents a trithermal machine that receives thermal energy Qil 'Qi2 at intermediate temperature T1, T'1, T, T1' go and supplies high temperature calorie Qh at To, T 'while rejecting energy Qb at low temperature level T2, T'2o T 'while rejecting energy Qb at low temperature level T2 T' o 2'2
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Ceci résulte de la parfaite réversibilité de la machine et des propriétés d'induction thermique qui existent dans les deux sens de fonctionnement possible. Les figures 22A et 22B représentent de manière schématique pour 22A, et plus détaillée pour 22B une machine multiétagée à deux colonnes; il s'agit d'une machine qui utilise un mélange d'ammoniac et d'eau. Le This results from the perfect reversibility of the machine and the thermal induction properties that exist in both directions of possible operation. Figs. 22A and 22B show schematically for 22A, and more detailed for 22B a multi-stage two-column machine; it is a machine that uses a mixture of ammonia and water. The
domaine commun de température des colonnes est 59 C - 238,25 C. common temperature range of the columns is 59 C - 238.25 C.
La colonne de droite Gd est équipée d'un bouilleur Bo recevant la The right column Gd is equipped with a boiler Bo receiving the
chaleur (1925 kW) à haut niveau de température, d'un bouilleur B1 rece- heat (1925 kW) at high temperature, a boiler B1 receives
vant 2300 kW du condenseur C1 de la colonne de gauche, et d'un conden- 2300 kW of the C1 condenser in the left column, and a condenser
seur C' cédant 2700 kW à l'utilisation à. niveau thermique intermé- It yields 2700 kW when used at. intermediate thermal level
diaire; la colonne de gauche est équipée d'un condenseur C1 à haut niveau cédant 2300 kW au bouilleur B1 de la colonne de droite, d'un condenseur C2 cédant 2400 kW à l'utilisation et d'un bouilleur B3 à bas diary; the left column is equipped with a high-level C1 condenser yielding 2300 kW to the boiler B1 of the right column, a condenser C2 yielding 2400 kW in use and a boiler B3 to low
niveau recevant 3175 kW d'une ressource à bas niveau. level receiving 3175 kW of a low level resource.
Dans le schéma plus détaillé de la figure 22B, on voit les débits In the more detailed diagram of Figure 22B, we see the flows
adventices échangeant dans les échangeurs E et E1. weeds exchanged in exchangers E and E1.
On remarque la présence d'un échangeur EBC qui fait bouillir le fluide de travail de la colonne de droite et condense le fluide de Note the presence of an EBC exchanger that boils the working fluid of the right column and condenses the fluid of
travail de la colonne de gauche.work from the left column.
La figure 23C est un autre mode de réalisation de machine multi- Fig. 23C is another embodiment of a multi-machine
étagée obtenue par superposition des machines monoétagées 23A et 23B: l'une 23A ayant une colonne à pression P, températures TO à T1 et une colonne à pression Pg et températures T1 à T2 - l'autre 23B ayant une colonne à pression Pg et températures T1 T3 et une colonne à pression P'g et températures T3 à T4. En pratique, T4 est très voisin de T2 et, en tout état de cause, on peut choisir T3 pour que stage obtained by superposition of single-stage machines 23A and 23B: one 23A having a pressure column P, temperatures TO to T1 and a pressure column Pg and temperatures T1 to T2 - the other 23B having a pressure column Pg and temperatures T1 T3 and a pressure column P'g and temperatures T3 to T4. In practice, T4 is very close to T2 and, in any case, we can choose T3 so that
T4 soit égal à T2.T4 is equal to T2.
La première machine reçoit les chaleurs Q1 et Q'1 à To et T2 The first machine receives heat Q1 and Q'1 at To and T2
respectivement et fournit Q1 + Q'1 à T1. respectively and provides Q1 + Q'1 to T1.
La seconde machine reçoit Q à T1 et Q1 à T2 respectivement et The second machine receives Q at T1 and Q1 at T2 respectively, and
fournit Q1 + Q"1 à T3.provides Q1 + Q "1 to T3.
Rien n'interdit d'inclure dans une colonne unique les deux por- Nothing prohibits the inclusion in a single column of both
tions de colonnes des deux machines fonctionnant entre T1 et T3. columns of the two machines running between T1 and T3.
On obtient la machine de la figure 23C qui reçoit Q1 à TO, We obtain the machine of FIG. 23C which receives Q1 at TO,
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Q'I1 + Qu1 à T2 et fournit 0 à T1 et Q1 + Q"1 à T3. Q'I1 + Qu1 to T2 and provides 0 to T1 and Q1 + Q "1 to T3.
On a réalisé ainsi simplement une machine multiétagée. This was simply a multi-stage machine.
Il est possible de réaliser sur la base des mêmes principes décrits It is possible to realize on the basis of the same principles described
précédemment, des machines à induction thermique avec travail extérieur. previously, thermal induction machines with external work.
Ce sont des machines à deux sources; le travail peut être fourni par une turbine (production d'énergie), ou absorbé par un compresseur (pompe à chaleur) suivant le sens des échanges avec les sources à haut et They are machines with two sources; the work can be provided by a turbine (energy production), or absorbed by a compressor (heat pump) according to the direction of the exchanges with the sources with high and
bas niveau.low level.
On peut les construire en partant des schémas trithermes; partons par exemple de la figure 24, représentant deux systèmes de transfert They can be built from trithermal patterns; for example, from Figure 24, representing two transfer systems
thermique à deux éléments chacun, induisant mutuellement l'un dans l'au- two elements each, mutually inducing one into the other
tre, l'un à haute pression P, l'autre à pression basse Pg. be one at high pressure P, the other at low pressure Pg.
On a figuré les échanges thermiques entre colonnes et sources extérieures, ainsi que les débits adventices. Pratiquons une coupure entre les deux éléments de chaque système comme indiqué par le trait mixte. On obtient les systèmes des figures 25 et 26, avec en bas de la figure 25 et en haut de la figure 26 les flux V, Vg et L, Lg de vapeur et Thermal exchanges between columns and external sources, as well as weed rates, were included. Let us practice a break between the two elements of each system as indicated by the mixed line. The systems of FIGS. 25 and 26 are obtained, with at bottom of FIG. 25 and at the top of FIG. 26 the flows V, Vg and L, Lg of vapor and
de liquide du fluide de travail.of fluid from the working fluid.
Considérons la seule figure 26.Consider the only figure 26.
Si on referme le circuit vapeur V par une turbine Tu qui détend le gaz de P à Pg et fournissant du travail, et si on relie les flux liquide par une liaison Li échangeant de la chaleur q avec le débit adventice mi, If the steam circuit V is closed by a turbine Tu which relaxes the gas from P to Pg and provides work, and if the liquid flows are connected by a Li bond exchanging heat q with the adventitious flow mi,
pour réchauffer le débit L, on obtient une machine (figure 27) fournis- to warm the flow L, a machine is obtained (FIG.
sant du travail extérieur (w = q) en restituant de la chaleur à bas outside work (w = q) by restoring heat to low
niveau de température.temperature level.
La figure 28 est la machine inverse de la machine de la figure 27, recevant de la chaleur Qo à bas niveau, recevant du travail W par un compresseur Co et fournissant de la chaleur Q'o = Qo + W à haut niveau FIG. 28 is the inverse machine of the machine of FIG. 27, receiving low-level heat Qo, receiving work W by a compressor Co and supplying heat Q'o = Qo + W at a high level
de température.temperature.
C'est une pompe à chaleur.It's a heat pump.
La figure 29 représente une pompe à chaleur o la compression s'effectue avec la vapeur circulant entre les colonnes à haut niveau, que FIG. 29 represents a heat pump where the compression is carried out with the steam flowing between the high-level columns, which
l'on à construite en partant du schéma de la figure 25. it is built starting from the diagram of figure 25.
La figure 30 est la figure inverse de 26; associée à un système comme celui de la figure 25, elle permet de construire une pompe à Figure 30 is the inverse figure of 26; associated with a system like that of Figure 25, it allows to build a pump to
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chaleur comme celle de la figure 31, o les effluents sont transférés as in Figure 31, where the effluents are transferred
d'une colonne à l'autre à niveau moyen de température. from one column to another at average temperature level.
On peut donc construire des pompes à chaleur à induction thermique We can therefore build thermal induction heat pumps
avec compression à bas, moyen, ou haut niveau de température. with compression at low, medium, or high temperature level.
Le caractère général des procédés utilisés en référence aux figu- The general nature of the processes used with reference to the
res 24 à 32 montre qu'on peut non seulement élaborer des pompes à cha- 24 to 32 shows that not only can
leur, mais également obtenir du travail à partir de sources de chaleur sensible. them, but also get work from sensible heat sources.
Les pompes à chaleurs des figures 28 et 29 ont des circuits calo- The heat pumps of FIGS. 28 and 29 have heat circuits
porteurs dont les écarts de température à T sont égaux et dans la carriers whose temperature differences at T are equal and in the
continuité l'un de l'autre.continuity of one another.
Il est possible de séparer les caloporteurs par des écarts multi- It is possible to separate coolants by
ples de à T. Considérons la figure 32 représentant schématiquement une machine quadritherme et effectuons une coupure selon la ligne en trait mixte. On conserve la partie supérieure (figure 33); on ferme le circuit de vapeur par un compresseur Co et le circuit de liquide par une ples from to T. Consider Figure 32 schematically representing a quadritherme machine and make a cut along the line in dashed line. The upper part is retained (Figure 33); the steam circuit is closed by a compressor Co and the liquid circuit by a
liaison Li échangeant avec le débit adventice ml (figure 34). Li binding exchanging with the adventitious flow ml (Figure 34).
On a ainsi obtenu une pompe à chaleur o les caloporteurs sont séparés de A T. On pourrait en principe séparer de 2, 3,..., n fois a T; mais en fait cela est irréaliste car les échanges internes du système deviennent rapidement prohibitifs. On trouvera plus loin un procédé plus économe en There was thus obtained a heat pump where the coolants are separated from A T. It could in principle be separated by 2, 3, ..., n times at T; but in fact this is unrealistic because the internal exchanges of the system quickly become prohibitive. A more economical process will be found later on.
surfaces d'échange pour obtenir le même résultat (mais en revanche mul- exchange surfaces to achieve the same result (but in contrast
tiétagé en pression).pressurized).
Les machines qu'on vient de décrire ont le même caractère de réver- The machines just described have the same character of rever-
sibilité que les machines trithermes au détail près de la compression (ou détente) humide ou surchauffée. Si l'on utilise comme fluide de travail un mélange du type R112 + R113, on peut dans une certaine mesure choisir le long des colonnes un point de transfert de la vapeur (à bas, moyen, ou haut niveau) pour que l'état de la vapeur à la réinjection soit à peu près saturant. Par ailleurs, leur fonctionnement à le même caractère de rigidité au point nominal; cependant, dès lors qu'on s'autorise non plus seulement à échanger entre les colonnes des débits adventices de liquide, mais qu'on recourt également à des transports de vapeur, on peut construire des configurations de machines réversibles au point nominal, that trithermal machines are close to damp or overheated compression (or expansion). If a mixture of the R112 + R113 type is used as the working fluid, a steam transfer point (low, medium, or high level) can be used to a certain extent along the columns to make the from steam to reinjection is almost saturating. Moreover, their operation at the same rigidity character at the nominal point; however, once we are allowed not only to exchange liquid weed flow rates between the columns, but we also use steam transport, we can build machine configurations that are reversible at the nominal point,
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capable d'associer des circuits caloporteurs quelconque; la figure 35 capable of associating any heat transfer circuit; Figure 35
en donne un exemple.give an example.
Les machines à induction thermique à travail extérieur qu'on a The thermal induction machines for outdoor work that we have
examinées jusqu'ici ne comportent que deux colonnes. examined so far only have two columns.
Les machines qu'on a étudiées jusqu'ici ne comportaient que deux colonnes; on peut envisager des morphologies qui en comportent un The machines we have studied so far have only two columns; we can consider morphologies that include one
nombre supérieur.higher number.
La figure 36 représente une telle réalisation; on reconnait à droite de cette figure une machine identique à celle de la figure 28, Fig. 36 shows such an embodiment; we recognize on the right of this figure a machine identical to that of figure 28,
fonctionnant entre P et P1; elles transfère Q' au niveau des colon- operating between P and P1; they transfer Q 'to the colon
o nes Cgo et C1 à une machine de même type fonctionnant entre P1 et P2; Cgo et C1 fonctionnant à même pression P1 et entre les mêmes températures T1 et T2 peuvent être superposées (figure 37): l'ensemble Cgo, C1, M'o o Nes Cgo and C1 to a machine of the same type operating between P1 and P2; Cgo and C1 operating at the same pressure P1 and between the same temperatures T1 and T2 can be superimposed (Figure 37): the set Cgo, C1, M'o
fait place à la colonne C' dont le fonctionnement résulte de la super- gives way to the column C 'whose operation results from the super-
i5i5
position des colonnes directe et inverse CO et C1, respectivement d'ac- position of the direct and reverse columns CO and C1 respectively of
tivité thermique Q et Q'o; l'activité thermique de C' est donc QO - Q'0 =; c'est donc une activité faible et C' est une petite thermal sensitivity Q and Q'o; the thermal activity of C 'is therefore QO - Q'0 =; so it's a weak activity and it's a small
colonne auxiliaire.auxiliary column.
Un autre exemple figures 38 et 39; mêmes dispositions que précé- Another example figures 38 and 39; same provisions as
demment; de plus le caloporteur m0 réchauffe C1; la colonne C'1 (figu- ously; moreover the coolant m0 warms C1; column C'1 (fig.
re 39) est le siège de l'activité thermique 2Qo-Q'o = QO +ql. re 39) is the seat of the thermal activity 2Qo-Q'o = QO + ql.
Il est commode de représenter les machines multiétagées sur des diagrammes o l'on porte en abscisse la pression, la température vers le bas (comme d'habitude); les isocentrations x = constante sont telles It is convenient to represent multi-stage machines on diagrams in which the pressure, temperature down (as usual) is plotted on the abscissa; isocentrations x = constant are such
que représentées figure 40.as shown in Figure 40.
On peut généraliser les dispositions de la figure 39 à une machine à 4 étages (figure 41) ou à six étages (figure 42). On a figuré dans les dessins les axes de pression et de température. Le cycle est un cycle sans flash de production d'énergie à partir de ressources de chaleur The arrangements of Figure 39 can be generalized to a 4-stage (Figure 41) or six-stage machine (Figure 42). The drawings depicted the pressure and temperature axes. The cycle is a cycle without flash of energy production from heat resources
sensible (par exemple géothermales). sensitive (eg geothermal).
S57277S57277
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