Brevet FR2000448A1 — publié le 19690905

ha présente invention concerne des installations de moteurs thermiques et, plus spécialement, des procédés de transmission de chaleur au moyen d'un fluide compressible.d'une source thermique, telle qu'un réacteur nucléaire, à un dispositif de eon-5 version de chaleur, tel qu'une turbine à gaz. Des rendements thermiques de l'ordre de 40 f> peuvent être obtenus dans une installation fermée comportant un réacteur nucléaire et une turbine à gaz, mais un rendement si élevé implique une construction très complexe. Fondamentalement, un 10 circuit fermé d'une-installa tioi^feomprenant un réacteur nucléaire et une turbine à gaz comporte un compresseur, le côté de sortie d'un échangeur de chaleur régénérateur, le réacteur nucléaire, la turbine à gaz, le côté d'entrée de chaleur de l'échangeur de chaleur régénérateur et un dispositif d'évacuation de chaleur 15qui est relié au compresseur. le réacteur nucléaire impose une limite à la pression de l'installation et cette limite doit être repoussée d'une façon quelconque si l'on veut obtenir un rendement élevé, le moyen habituel consiste à obtenir la conversion de chaleur la plus grande possible dans la turbine à gaz, puis le 20 transfert de chaleur le plus élevé possible dans 1'échangeur de chaleur régénérateur, de manière à appliquer la quantité de chaleur la plus petite possible au dispositif d'évacuation de chaleur et d'essayer ensuite de récupérer la plus grande partie possible de la chaleur évacuée. Un processus de récupération consiste à uti-25 liser un moteur thermique séparé comme dispositif d'évacuation de chaleur, par exemple le dispositif d'évacuation de chaleur pourrait être un dispositif générateur de vapeur entraînant une autre turbine,et un fluide de travail approprié pour un cas donné peut être choisi parmi les fluides de transmission de chaleur du 30 type "Ereon" (marque déposée). Suivant la présente invention, une installation d'un moteur thermique destiné à transmettre la chaleur au moyen d'un fluide compressible d'une source de chaleur,telle qu'un réacteur nucléajTe à un dispositif de conversion de la chaleur en énergie mécanique, 35 tel qu'une turbine à gaz, comprend successivement un étage de compression, un étage de chauffage comportant un échangeur de cha-« leur, un étage de chauffage dans la source de chaleur, un étage de conversion de chaleur dans le dispositif de conversion, un étage 69 00797 a 2000448 de refroidissement dans lequel la chaleur est transmise à l'étage de 1'échangeur de chaleur régénérateur et un étage d'utilisation de la chaleur caractérisé en ce que les conditions opératoires sont choisies de façon que 1*étage de conversion de cha-5 leur et l'étage d'utilisation de la chaleur présentent individuellement un rendement thermique supérieur à 20 %+ Selon un autre de ses aspects,la présente invention fournit un réacteur nucléaire utilisant une turbine à gaz en circuit fermé» dans lequel ion réfrigérant gazeux passe d'un compresseur à 10 travers le côté de sortie de chaleur d'un échangeur de chaleur générateur, des passages réservés au réfrigérant à travers le réacteur, une turbine à gaz, le côté d'entrée de chaleur de l'échangeur de chaleur régénérateur et un dispositif d'utilisation de la chaleur, réacteur caractérisé en ce que les conditions opé-15 ratoires sont choisies de façon que la turbine à gaz et le dispositif d'utilisation de chaleur présentent individuellement un rendement thermique supérieur à 20' D'une façon typiquerle dispositif d'utilisation de la chaleur est un échangeur de chaleur utilisé pour échanger la chaleur 20 entre le réfrigérant gazeux et un fluide de travail secondaire. En comparaison de la technique antérieure,la présente invention implique une augmentation de la quantité de chaleur distribuée au dispositif d'utilisation de la chaleur au-delà de la quantité précédemment connue,de sorte que le rendement de la conver-25 sion de chaleur peut etre accru au-dessus de 20h/â.Le rendement global de toute l'installation correspond à la somme des rendements individuels des étages de- conversions de chaleur et d'utilisation de chaleur de laquelle est soustrait le produit de multiplication de ces deux rendement s. Ce rendement global peut dépasser 40Ço, s ans 3 0 la très grande complexité nécessaire pour obtenir un rendement équivalent dans un tel étage,avec ou sans l'aide d'une récupération de chaleur,depuis son côté d'échappement au niveau inférieur de rendement qui était courant jusqu'ici,Selon une variante, on peut obtenir un rendement plus élevé. 35 On va décrire maintenant une forme de réalisation de l'in vention en se référant au dessin annexé dont la figure unique représente un schéma d'une installation dsun moteur thermique en circuit fermé. Le dessin montre un circuit fermé utilisant un réacteur 69 00797 3 2000448 nucléaire classique 11 refroidi par un gaz comme source de chaleur, le réfrigérant étant de l'anhydride carbonique gazeux. Le gaz chaud provenant du réacteur 11 passe dans une turbine 12 dans laquelle le gaz se détend pour fournir une force mécanique à 5 partir de l'arbre 13. Depuis la turbine 12,. le gaz passe à travers un serpentin 14 d'un échangeur de chaleur régénérateur 15 où. il sert à refroidir le gaz contenu dans le serpentin 1-6 de 1'échangeur de chaleur 15. Depuis le serpentin 14, le gaz passe dans un serpentin 20 d'un dispositif d'utilisation de la chaleur 10 comprenant un échangeur de chaleur 17. De ce dernier, le gaz passe dans un compresseur 18 et ensuite dans'le réacteur Ï1 par l'intermédiaire du serpentin de refroidissement 16 de 1'échangeur de chaleur régénérateur 15. Le serpentin 21 de 1'échangeur de chaleur 17 est incorporé 15 dans un circuit secondaire fermé comprenant une turbine 22, un dissipateur de chaleur 23 et un compresseur 24. Le fluide de travail de ce circuit secondaire est un fluide du type "Fréon". Chacun des rendements thermiques de la turbine 12 et de l'échangeur de chaleur 17 est supérieur à 20 °/o. 20 La turbine à gaz 12 peut être de construction simple sans réchauffe intermédiaire avec un rapport de pression d'environ six à un, l'échangeur de chaleur régénérateur 15 reçoit alors une plus faible proportion de la chaleur totale et pourrait être d'un moins grand rendement, ce qui permettrait de réduire sâ dimension. 25 L'invention s'applique à un réacteur nucléaire refroidi par de l'anhydride carbonique de la série des réacteurs britanniques d'avant-garde refroidis par un gaz et, dans ce cas, la pression et la température maximales seraient respectivement de 70 bars et de 700°C et les pression et température minimales de CO2 seraient 30 de 14 bars et de 50°C, respectivement. Selon une variante, on peut utiliser de l'hélium gazeux pour opérer à des températures plus élevées. Pour tirer le meilleur profit de l'invention, il semble préférable actuellement d'utiliser un compresseur simple sans 35 refroidissement intermédiaire dans l'étage de compression. 69 00797 ^ 2000448 — ^smmiOÂ'siQm - 1) Un système à moteur thermique comprenant un procédé de transmission de chaleur au noyen'-'d'un fluide compressible d'une source de chaleur à un dispositif de conversion de chaleur, com.- 5 porte un étagé de compression, un étage do chauffage à échangeur de chaleur régénérateur, un étage de chauffage dans la source de chaleur, un étage de conversion de chaleur dans le dispositif de conversion, un éta,ge de refroidissement dans lequel la chaleur est transmise à l'étage de l'échangeur de chaleur régénérateur^ 10 et un étaçe d'utilisation de la chaleur, système caractérisé en ce que les conditions opératoires sont choisies de façon que les étages de conversion de chaleur présentent individuellement un rendement thermique supérieur à 20 fi. 2) Appareil pour la mise en oeuvre du procédé du système à 15 moteur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de chaleur comprend un réacteur nucléaire et en ce que le dispositif de conversion de chaleur comprend une turbine à gaz. 3) Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le fluide compressible est l'anhydride carbonique ou l'hélium. 20 4) Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que la turbine présente un rapport de la pression d'entrée du gaz à la pression de sortie du gaz de six à un. 5) Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étage d'utilisation de la chaleur comprend un générateur de vapeur avec un fluide de travail auquel la chaleur du fluide com- 25 pressible est transmis©. 6) Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que le régénérateur de vapeur est incorporé dans un circuit fermé pour le fluide de travail comprenant, outre le générateur de vapeur, une turbine, un dissipateur de chaleur et un compresseur de 30 vapeur. 7) Appareil selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le fluide de travail est choisi parmi les fluides d'échangeur de chaleur du type "Fréon" (marque déposée). 8) Système à moteur thermique selon la - ravendication 1, 35 caractérisé en ce que le fluide compressible est de l'anhydride carbonique, la pression et la température maximales sont respectivement de 70 bars et de 700°C et la pression et la température minimales sont respectivement de 14 bars et de 50°C.