Brevet FR2258520A1 — publié le 19750818

On a souvent proposé des fluides organique s pour des cycles de fonctionnement de turbines à vapeur et on les a déjà employés aussi expérimentalement sur une petite échelle. Une difficulté notable dans l'utilisation à cet effet de fluides organiques appropriés comme le biphényle réside dans le rapport élevé entre la chaleur spécifique de la phase liquide et la chaleur de vaporisation. I1 s'ensuit obligatoirement qu'il faut approcher du cycle de Carnot en préchauffant le liquide afin d'obtenir des rendements acceptables. Gomme on peut le voir par la forme inhabituelle du diagramme entropique en fonction de la température, il se forme de la vapeur surchauffée lors de la détente d'une telle vapeur saturée organique.Ainsi, la température obtenue lors de cette détente est toujours notablement supérieure à la température de condensation qui correspond à la pression finale, c'est-à-dire que le gradient de température dont on dispose pour un processus de travail est relativement mal utilisé. Il est vrai que de fa çon connue, on peut partiellement tirer parti de la chaleur de surchauffage pour préchauffer le fluide organique liquide dans un échangeur de chaleur à récupération, ce qui entratne une amélioration du rendement thermique mais pour refroidir la vapeur surchauffée, il faut des surfaces d'échange de chaleur relativement très grande. On connaît déjà un procédé permettant de se rapprocher du cycle de Carnot dans de tels processus cycliques, dans lequel, en injectant du fluide de travail liquide dans le fluide de travail à l'étant de vapeur, en au moins un et de préférence plusieurs points distribués sur les étages de la turbine, on rapproche le plus possible son processus de détente de la courbe limite supérieure. Toutefois, la courbe de détente se situe toujours dans le domaine de la vapeur surchauffée, car après chaque détente de la vapeur, l'injection se fait dans la vapeur surchauffée par la détente et le liquide injecté ne peut servir qu a refroidir la vapeur surchauffée à un niveau proche de la température de la vapeur saturée. En outre, dans le procédé connu, de façon usuelle, on augmente la pression du liquide d'alimentation dans un seul étage de pompe.Cela correspond à la technique connue des processus normaux utilisant la vapeur d'eau. Toutefois, quand on utilise des substances organiques telles que le biphényle comme fluide de travail, étant donné la faible chaleur de vaporisation de ces fluides, de façon générale et plus particulière ment dans le cas d'un préchauffage par récupération du liquide d'alimentation au moyen de courants partiels prelevés en plusieurs points à pression différente de la turbine > il se produit des flux massiques très élevés dans le liquide d'alimentation et donc des débits de pompage extrêmement grands et aussi par suite des mauvais coefficients de transf'ert de chaleur obtenus lorsqu'on utilise des corps organiques et des très grandes quantités de chaleur à transférér dans le préchauffage du liquide d'alimentatison, les surfaces d'échange de chaleur des préchauffeurs de liquide d'alimentation deviennent extrêmement grandes. Ces circonstances entraînent d'une part une dépense élevée pour le préchauffage du liquide d'alimentation et d'autre part, nuisent dans une mesure non négligeable au rendement du cycle car la puissance de pompage nécessaire doit être soustraite de la puissance de la turbine de sorte que la puissance nette dont on dispose est diminuée dans une mesure appréciable. L'invention a pour but de fournir un procédé dans lequel, en diminuant la puisSance de pompage, on améliore le rendement de l'ensemble du cycle et on diminue, si possible, les frais d'appareillage nécessaires au préchauffage du liquide d'alimentation. Ce résultat est obtenu grâce au fait que l'augmentation de la pression du liquide d'alimentation se fait par paliers, qu'à chaque palier de pression à l'exception du dernier, on effectue au moins un pré chauffage au moyen de vapeur prélevée et que l'on prélève sur le liquide d'alimentation à différents paliers de pression le fluide de travail liquide qu'il s'agit d'introduire dans la turbine pour la conduite du processus de détente. Cette augmentation par paliers de la pression du liquide d'alimentation permet aussi d'effectuer dans des condenseurs à mélange le chauffage du liquide d'alimentation. L'invention a encore pour objet un mode avantageux de conduite du processus de détente qui conduit à une nouvelle augmentation du rendement relativement au procédé connu.Cette mesure consistera utiliser le fluide de travail liquide introduit dans les étages de turbine pour former de la vapeur humide ayant des titres de vapeur tels qu'après la détente qu'elle subit ensuite, elle atteigne au moins approximativement l'état de vapeur saturée I1 est particulièrement avantageux d'introduire le liquide, dans la vapeur saturée de l'étage de turbines précédent, avant le distributeur ou dans celui-ci et d'e-f- fectuer en grande partie dans le distributeur la détente de la vapeur, à chaque étage de turbine. L'injection peut s'effectuer au moyen d'un système spécial de tuyères et pour des raisons rhéologiques, celui-ci peut avantageusement être logé dans des aubes directrices sous forme creuse.Toutefois, on peut aussi imaginer d'autres possibilités de mélange de vapeur et de liquide d'alimentation pour l'obtention de l'humidité désirée, par exemple pulvériser le liquide d'alimentation au moyen d'organes tourants de la turbine. La vapeur humide qui entre dans le premier étage de turbine peut être engendrée soit de façon analogue soit directement, grâce à une forme appropriée donnée au vaporisateur. Pour obtenir des rendements élevés, il est préférable de dégrader par petites étapes, donc dans un grand nombre d'étages de turbine > le gradient de température dont on dispose. Un tel mode opératoire est aussi favorable à de faibles vitesses du son dans le fluide, par exemple la vapeur de biphényle. A titre d'exemple on a décrit ci-dessous et représenté au dessin annexé un mode d'exécution du procédé suivant l'in invention La figure 1 est un croquis schématique et la figure 2 est un diagramme entropique du biphényle. Dans un échangeur de chaleur 11, on condense le fluide de travail d'un cycle précédent de conversion d'énergie utilisant un métal alcalin, par exemple la vapeur de potassium et on vaporise un fluide organique, par exemple le biphényle. L'échangeur de chaleur est réglé de telle sorte qu'il fournit-de la vapeur de biphényle humide qui est amenée au premier étage 1 d'une turbine désignée par la référence générale 12. A la fin du premier étage de turbine 1, la vapeur de biphényle arrive à l'état de vapeur saturée et au moyen de biphényle liquide préchauffé amené par le tuyau 13 au côté d'entrée du distributeur du deuxième étage de turbine 2, elle est à nouveau transformée en vapeur humide qui est saturée à la fin du deuxième étage de turbine. Par un nouvel apport de biphényle liquide préchauffé par le tuyau 14, au début du troisième étage de turbine 3, elle est convertie en vapeur humide qui sort de cet étage à l'état saturé. Ce processus se répète à chaque étage suivant. Le biphnyle liquide est prélevé sur la conduite d'alimentation 15. A la fin du premier étage de la turbin-e, une partie de la vapeur saturée est amenée par la conduite 16 à un condenseur à mélange 17 où la vapeur se condense en préchauffant encore le liquide d'alimentation. La conduite 13 part de la conduite d'alimentation en aval d'une pompe foulante 18. Une disposition analogue est prévue pour chaque étage de turbine 1 à 8. La vapeur d'échappement est amenée à un échangeur d chaleur 19 dans lequel la vapeur de biphényle se condense et de l'eau préchauffée, d'un processus suivant qui utilise la vapeur d'eau et qui est de préférence un processus de conversion d'énergie, se vaporise. Par l'intermédiaire d'une pompe d'étage 20, le condensat est amenée au tuyau d'alimentation 15 et chauffé et porté à une plus haute pression par paliers. L'énergie fournie par la turbine 12 est amenée à un appareil utilisateur 21. La vaporisation du fluide organique peut aussi s'effectuer dans une chaudière. En outre, on peut utiliser comme fluide de chauffage des liquides et de la vapeur qui n'appartien- nent pas à un processus cyclique de conversion d'énergie. I1 en est de même pour l'échangeur de chaleur 19. La figure 2 montre une partie du diagramme entropique du biphényle. Par les condenseurs à mélange, le biphényle condensé dans l'échangeur de chaleur 19 est préchauffé de A à B à l'aide de vapeur prélevée et des condenseurs à mélange 17 et il est vaporise jusqu'au point C dans l'échangeur de chaleur 11. La teneur en-humidité est d'environ 25 t. Ensuite, la vapeur humide est exploitée dans le premier étage de turbine et atteint en D l'état de vapeur saturée. A son entrée dans le deuxième étage de turbine, la vapeur est convertie, par mélange avec du biphényle liquide, en vapeur humide qui correspond au point E. Ce processus se répète dans les étages de turbine restants de sorte que finalement, on arrive au point F. La vapeur d'échappement est condensée dans l'échangeur de chaleur 19 de sorte que le point A du graphique est à nouveau atteint. REVENDI CATION S 1. Cycle de fonctionnement de turbines à vapeur au moyen de fluides organiques, par exemple de biphényle, dans lequel, pour le préchauffage par récupération du liquide d'alimentation on prélève des courants partiels en plusieurs points de la turbine où règne une pression différente et que pour conduire le processus de détente dans la turbine, on introduit du fluide de travail liquide dans celle-ci en au moins un point et de préférence en plusieurs points, caractérisé par le fait que l'augmentation de la pression du liquide d'alimentation se fait par paliers, qu'à chaque palier de pression à l'exception du dernier, on effectue au moins un pré chauffage au moyen de vapeur prélevée et que l'on~prélève sur le liquide d'alimentation à différents paliers de pression le fluide de travail liquide qu'il s'agit d'intro duire-dans la turbine pour la conduite du processus de détente. 2. Cycle selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'on effectue le chauffage du liquide dans des condenseurs à mélange. 3. Cycle selon l'une des revendications I ou 2, caractérisé par le fait que l'on utilise une partie du liquide préchauffé au moyen de vapeur prélevée à un étage du turbine > après passage par l'étage de pompage qui le suit, pour l'introduire dans l'étage de turbine qui suit immédiatement le prélèvement. 4. Cycle suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'on utilise le fluide de travail liquide introduit dans les étages de turbine pour former de la vapeur humide ayant des taux de vapeur tels qu'après la détente qu'elle subit ensuite, elle atteigne au moins approximativement l'état de vapeur saturée. 5. Cycle suivant la revendication 4, caractérisé par le fait que l'on introduit Ie liquide, avant le distributeur ou dans celui-ci, dans la vapeur saturée de l'étage de turbine précédent. 6. Cycle suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que l'on effectue en grande partie dans le distributeur-la détente de la vapeur à chaque étage de turbine. 7. Cycle -suivant l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé par le fait que pour engendrer la vapeur humide amenée au premier étage de turbine > on tire parti de la chaleur engendrée par condensation du fluide d'un processus précédent de conversion d'énergie utilisant un métal alcalin. 8. Cycle suivant l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé par le fait que l'on condense le fluide organique dans un évaporateur d'un processus suivant qui utilise la vapeur d'eau.