Brevet FR2317482A1 — publié le 19770204

La présente invention est relative à un procédé pour augmenter le rendement de compresseurs, notamment de turbocompresseurs. Il est bien connu que la compression des gaz dans les compresseurs de type axial ou radial se produit suivant une polytrope qui est représentée par une courbe dirigée vers la droite dans un diagramme T,s, c'est-à-dire qu'elle se produit avec accroissement de l'entropie, en raison de la chaleur de frottement interne du gaz et des autres pertes dues à l'ecoule- ment. La pente de la polytrope constitue une mesure représentative du rendement du compresseur. Le rendement des turbo-machines peut donc être défini par le rendement adiabatique qui représente le rapport entre le travail de compression sans frottement (ad-iabatique) et le travail de compression réel (polytropique). Suivant la dimension, le taux de compression, la forme d'exécution et le type de a machine, ce rendement est compris entré 0,75 et 0,85. Pour améliorer le rendement, on a adopté de nombreux artifices de construction. En dehors du refroidissement du carter (refroidissement interne) qui était fréquemment utilisé dans la technique antérieure, on doit citer principalement le refroidissement intermédiaire, qui est presque exclusivement adopté dans la technique actuelle Ce refroidissement intermédiaire consiste à ramener le gaz à comprimer à la température d'aspiration, apres lui avoir fait traverser un certain nombre d'étages du compresseur et avant de le.transmettre à l'étage suivant. Malheureusement, du fait des grandes dimensions du refroidisseur qu'il est nécessaire de prévoir pour cette application, ce refroidissement intermédiaire entraîne une dépense de moyens techniques considérables.Comparativement au refroidissement intermédiaire, l'effet du refroidissement du carter est pratiquement nul en raison du débit considerable des turbo-machines actuelles. En dehors de ces modes de refroidissement, on peut encore améliorer le rendement en adoptant pour les passages de gaz une forme plus aérodynamique mais en dépit de tous ces perfectionnements, on n'a pratiquement pas pu obtenir un degré de qualité supérieure à 0,85. L'invention vise à augmenter le rendement sans une dépense particulièrement grande de moyens techniques. Suivant l'invention, le problème est résolu par le fait qu'on refroidit le gaz comprimé par échange de chaleur avec un courant d'hydrocarbure fluoré circulant en circuit fermé et qu'on utilise ce courant d'hydrocarbure fluoré pour entraîner une turbine à détente couplée au compresseur. Pour accroître le rendement du compresseur, on transforme donc en énergie mécanique motrice la chaleur de compression du gaz comprimé et on obtient de cette façon une amélioration de 10 à 20 % qui permet de se rapprocher des conditions du travail de compression adiabatique. En raison du principe de Carnot, on ne peut certes utiliser la chaleur de compression que dans une proportion d'environ 20 %, mais cette proportion suffit pour obtenir les ameliorations précitées du rendement.Toute amélioration du rendement se traduit par une diminution du coût de la compression, ce qui est principalement important dans la technique des procédés et ouvre de nouvelles possibilités economiques pour un grand nombre de traitements tels que, par exemple, la distillation de l'air liquide, la gazéification du charbon ou la synthèse du méthanol. La mise en oeuvre de l'invention n'augmente pratiquement pas les coûts de fabrication des installations de turbocompresseurs. En effet, d'une part, grâce à la suppression des refroidisseurs intermédiaires, la complexité de la construction de la machine est considérablement reduite, tandis que, d'autre part, l'application de l'invention ne demande en général, en supplément du compresseur, qu'une turbine de détente et un condenseur monté en aval de cette turbine. Cette observation est particulièrement valable lorsque le compresseur doit être muni d'un post-refroidisseur qui peut être utilisé pour réchauffer le flux d'hydrocarbure fluoré. L'invention apporte encore un autre avantage supplémentaire du fait qu'elle supprime avec toute sécurité les détériorations par corrosion qui sont fréquemment entraînées par l'utilisation d'un refroidisseur intermediaire. En effet, dans la technique antérieure, en cherchant à réduire le plus possible la puissance d'entraînement de la machine grâce à un refroidissement intermédiaire intensif, on ramène la temperature du gaz à comprimer à un niveau inferieur à son point de rosée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre en regard du dessin annexé qui est un schéma de principe d'une installation pour la mise en oeuvre du procéde suivant l'inventi-on. Le gaz à comprimer est transmis, par une conduite d'aspiration 1, à un turbo-compresseur 3 entraîné par un moteur 2 et, après avoir été comprimé, il est introduit par une conduite de refouiement 4 dans un réseau d'alimentation non représenté. Les gaz comprimés chauds qui sortent du compresseur 3 sont tout d'abord refroidis dans un évaporateur 5 avant d'être introduits dans le réseau d'alimentation. Dans l'évaporateur 5, la chaleur sensible du gaz comprimé réchauffe un fluide de refroidissement, lequel est un hydrocarbure fluoré dans le cas considéré, et le flux d'hydrocarbure fluoré ainsi obtenu est utilisé pour entrainer une turbine à détente 6 qui, dans l'exemple représenté, est montée sur l'arbre d'entraînement 7 du compresseur 3. Toutefois, la liaison entre la turbine à détente 6 et le compresseur 3 peut naturellement être établie par l'intermédiaire d'un réducteur o'j équivalent. L'hydrocarbure fluoré sortant de la turbine à détente est liquéfie dans un condenseur 8 raccordé à cette turbine et il est ensuite renvoyé, par une pompe 9, à l'évaporateur 5 où le circuit recommence. Pour le fluide de refroidissement utilise dans le condenseur 8, on peut utiliser de préférence de l'eau qui est acheminée au condenseur 8 par la conduite 10 et qui quitte a nouveau ce condenseur par la conduite 11. Le circuit utilisé oour l'alimentation de la turbine à détente 6 travaille suivant le processus de Clausius-Rankine, qui est caractérisé par une évaporation isobare, une détente adiabatique à l'intérieur de la turbine, une cession de chaleur isobare à l'intérieur du condenseur et une compression adiabatique dans la pompe d'alimentation. La présence du condenseur 8 est nécessaire pour permettre d'atteindre un gradient de température suffisamment important et, par conséquent, un rendement suffisamment élevé. Habituellement, dans l'évaporateur 5, la température du gaz comprimé est ramenée d'un niveau de fin de compression at teignant 180 à 250 , à environ 500C, et la chaleur cédée par le gaz est utilisée pour porter à environ 1000 le flux d'hydro carbure fluoré. Cet hydrocarbure pénètre à cette température et à une pression d'environ 14,5 bars dans la turbine à détente 6, pour quitter cette turbine à une température d'environ 55 C et sous une pression d'environ 2,5 bars. La turbine 6 à détente est en général une turbine à-un seul étage du fait que le gra dient de température à exploiter, qui est de 5 à 10 kcal/kg, est relativement petit.Naturellement, ces machines, qui actuel lement ne sont utilisées qu'individuellement, ont un rendement adiabatique supérieur à 90 %. Ces machines se distinguent essen tiellement par la simplicite de leur construction et leur faible prix d'achat. L'exemple suivant est représentatif de nombreuses installations de compression etudiees. Avec un rendement adiabatique de 0,833, un compresseur axial calculé pour un débit de 144.000 kg/h d'air comprimé absorbe une puissance de 8234,7 kW. L'air comprime sort de la machine à une pression absolue de 5 atmosphères et une tempé- rature de 223"C. En extrayant la chaleur de compres-sion de l'air comprimé, par application de l'invention et en ramenant la tempé rature de cet air de 223"C à 50"C, on peut récupérer une puissance mécanique supplémentaire de 928,8 kW. La puissance absorbée du groupe est donc ramenée de 8 234,7 kW à 7 305,9 kW, tout en por tant en même temps le rendement adiabatique de 0,833 à 0,9393. La température de l'eau de refroidissement du condenseur est supposée être de 20"C. REVENDICATION Procéde de production d'une énergie motrice supplémentaire pour 1 1entraînement d'un compresseur de gaz, de préférence d'un turbo-compresseur, ce procédé etant caractérisé par le fait qu'on refroidit le gaz comprimé par échange de chaleur avec un courant d'hydrocarbure fluoré circulant en circuit fermé et qu'on utilise ce courant d'hydrocarbure fluoré ainsi réchauffé pour entraîner une turbine à détente couplée au compresseur.