Brevet FR2343122A1 — publié le 19770930

Les turbines ou autres moteurs à vapeur d'eau ont un très mauvais rendafnent thermodynamique (35% environ) causé surtout par la chaleur de vaporisation élevée de ce liquide, (937 Mth) et sa chaleur spécifique (l), lesquelles vont se perdre dans le système de condensation. La présente invention consiste principalement à substituer à l'eau un liquide ayantuun point d'ébulition compris entre 20 et 200 C mais dont la chaleur de vaporisation est inférieure à 100 Mth et et la chaleur spécifique inférieure à 0,5. Elle englobe également l'ensemble des dispositifs permettant cette substitution et décrits ci-après, ainsi qu'éventuellement la vaporisation en cascade des liquides destinés à produire de la force motrice Les liquides dont la chialeur spécifique est inférieure à 0,5, la chaleur de vaporisation inférieure à 100 Mth K, et le point d'ébulition compris entre 20 et 200 C sont nombreux, La liste ci-dessous qui donne,à titre d'exemple, les caractéristiques de cinq d'entre eux n'est pas limitative:: POINT CHALEUR CHALEUR DENOMINATION FORMUIh d'ébullition de spécifique sous vaporisation 760 m/m HG Sulfure de carbone CS2 462C 86,7 Mth K. 0,157 Chloroforme CH CL3 60,16 61 Tétrachlorure de carbone CCL4 76,4 46,4 0,207 Perchloréthylene C2 CL4 119,5 51,6 0,216 Tétrachloréthane C2 H2 CL4 145,5 54,4 0,268 Pentachloréthane C2 H CL 159,5 37 0,266 Le choix dtun liquide pour une installation donnée sera dicté par les conditions de fonctionnement de cette installation selon qu'on utilisera ou non la chaleur résiduelle, que cette instalation sera fixe ou mobile, enfin qu'elle sera destinée à un climat tempéré, polaire, ou tropical ou susceptible de fonct -ionner sous des températures et des pressions atmosphériques très variables. Les différents liquides utilisables étant parfois t9xiques4 oxydants, solvants, ou inflammables, quand ce n'est pas le tout à a' fois, leur emploi n'est possible de dans des installa- - tions spécialement prévuesket munies des divers dispositifs, décrits ci-après, qui font partie intégrante de la présente invention. Les caractéristiques essentielles de ces installations sont: 1) De ne pas laisser échapper de vapeur dans l'atmosphère d'une part pour ne pas polluer celle-ci, et d'autre part pour éviter une perte côuteuse. 2) De ne pas entraîner de modification chimique du fluide évaporé. Les Fig 1 et 2,sans être limitatives, représentent des schémas de principe d'installations adéquates. A Fig 1 représente le générateur de vapeur, sa soupape de sureté destinée à éviter toute surpression accidentelle débite non dans l'atmosphère comme cela se passait jusqu'ici mais dans une capacité étanche B Fig l-et 2 raccordée directement au condenseur C Fig 1 et 2 lequel doit être constamment refroidi m8me en cas d'arr8t momentané de la turbine J Fig 1 et 2. Si le condenseur principal C Fig 1 fonctionne sous vide, ce vide ne sera pas obtenu par un éjecteur à vapeur mais par une pompe à vide à pistons ou rotativeXH Fig i ,faisant aussi office de compresseur, qui comprimera l'air aspiré dans le condenseur auxi2liaire,lY Fig 1, où il sera maintenu, par le détendeur F Fig 1, sous une pression suffisante pour que la totalité de la vapeur qu'il pourrait contenir soit condensée et le liquide récupéré dans la cuve à flotteur I Fig 1, (qui ne laisse passer que le liquide) revient vers le générateur A Fig 1. Seul l'air pur est évacué dans l'atmosphère par le tube G Fig 1. En ce qui concerne la turbine J Fig 1 et 2 les coussinets K Fig 1 sont séparés due celle-ci par une capacité L Fig 1, conte -nant des garnitures d'étanchéité M Fig 1, placées sur l'arbre de cette turbine pour éviter que des vapeurs solvantes n'aillent dissoudre le lubrifiant des coussinets. L'air contenu dans les capacités L Fig 1 et 2 est constamment renouvellé, entraînant avec lui les quantités infimes de vapeur qui pourraient provenir d'une fuite de la garniture c8té turbine, A cet effet, les capacités L Fig 1 sont munies chacune d'un orifice d'entrée d'air-convenablement calibré N Fig 1, une pompe à vide faisant office de compresseur 0 Fig 1 aspire l'air contenu dans les capacités L Fig 1, et éventuellement la vapeur qu'il pourrait contenir, par la tubulure P Fig 1 pour refouler le tout dans le condenseur auxilliaire Q Fig 1 convenablement refroidi un détendeur R Fig 1 permet de maintenir dans ce condenseur une pression suffisante pour que la totalité de la vapeur contenue dans l'air soit condensée et laisse revenir l'air épuré dans les capacités L Fig 1 par le tube S Fig 1 lequel communique aussi avec llatmospherre en T Fig 1 pour éviter de provoquer une dé res- -sion excessive dans les capacités L Fig 1 ou dans la cloche Fig I et 2 lorsqu'il en existe une. Dans les cas oa il ne serait pas possible de mettre les Oussinets hors d'atteinte des vapeurs solvantes il y aurait lieu de prévoir ceux-ci en matière au métal autolubrifiant ou encore de jtUtiliser des lubrifiants insolubles,(graphite ou autre1. Pour éviter que des fuites, autres que celles provenant des garnitures d'étanchéité, répandent de la vapeur dans l'atmosphère, il est prévu de mettre l'ensemble deXla turbine, voire même le groupe turbo-alternateur, sous une cloche U Fig 1 et 2 dont l'étan- -chéité à la base sera assurée par un joint hydraulique V fig 1 et 2 et, éventuellement, autour de l'arbre de turbine par une garniture d'étanchéité du type employé dans les compresseurs frigorifiquest posée sur plaque démontable. Une telle installation, convenablement réalisée, ne laissera pas échapper de vapeur dans l'atmosphère et, à la condition de prendre toutes dispositions pour éviter la transformation chimique du fluide évaporé, lequel pourra être régénéré par distillation, ce fluide pourra resservir indéfiniment. Un pressostat Y Fig 1 et 2 placé sur le générateur de vapeur arrêtera ou réduira automatiquement le chauffage de celui-ci dès que la vapeur aura atteint la pression pour laquelle ce pressostat aura été réglé. Possibilité de produire de la vapeur en "cascade": En utilisant comme fluide primaire le Pentachloréthane dont le point d'ébullition, à la pression atmosphériQue est de 159oC et comme fluide secondaire le Chloroforme dont le point d'ébullition est de 60oC il serait possible de condenser le fluide primaire dans un échangeur refroidi par évaporation du fluide secondaire. Cette solution prise comme exemple n'est pas limitative, mais elle permettrait d'obtenir, dans un échangeur convenablement établi, de la vapeur de Chloroforme à 1 > 5gC sous 12,5 bars, si le fluide primaire était condensé à la pression atmosphérique. Il est possible de surchauffer las peur du fluide secondaire par une autre source de chaleur sans que cela ne change rien au principe de l'invention. I1 se peut que, dans certaines installations, la présence d'oxygène soit néfaste, Ce gaz, qui est un des composants de l'air, peut en effet oxyder l'installation, nuire à la stabilité du fluide qu'elle contient, (c'est le cas pour le Chloroforme), ou former un mélange explosif avec, par exemple,le Sulfure de carbone. Dans ces différents cas il est nécessaire de remplacer l'air contenu dans l'installation par un gaz neutre, l'azote par exemple, et de condenser à une pression très légèrement supérieure à la pression atmosphérique (quelques millibars suffisent pour éviter toute entrée d'air). La Fig 2,qui n'est pas limitative, représente le schéma d'une installation de ce genre. A la première mise en route on laissera ouverte la vanne de purge 1 Fig 2 tant qu'il sortira dé l'air, dès que l'air sera évacué on fermera cette vanne et on remplira de gaz neutre la cloche 2 Fig 2 par l'intermédiaire de la tubulure de remplissage 3 Fig 2 et de la vanne 4 Fig 2. La contenance de la cloche 2 Fig 2 doit être supérieure à celle de l'ensemble de l'installation y compris le générateur de vapeur A Fig 2. Cette cloche à volume variable ,avec joint hydraulique 6 Fig2, sera constamment maintenue pleine de gaz neutre qui viendra prendre la place de la vapeur lors de l'arrêt dé l'installation et retourner; dans la cloche lorsqu'on remettra cette installation en service. Pour que le générateur A Fig 2 puisse, à l'arrêt, se remplir librement de gaz neutre même si l'orifice d'arrivée de vapeur à la turbine est fermé, un clapet 5 Fig 2 met ce générateur en communiquation directe avec le condenseur C Fig 2 dès qu'une dépression se produit. Une des particularités des installations réalisées suivant le principe de la présente invention étant l'étanchéité parfaite de celles-ci, des boulons spéciaux, "extensibles", seront utilisés pour l'assemblage des -raccords, brides, couvercles,etc... leur élasticité permettra de maintenir l'étanchéité des pièces assemb -lées quelles que soient les variations de température et de dilatation de ces pièces. A titre d'exemple, non limitatif, la Fig 3 représente une bride assemblée par des boulons extensibles. Les particularités des boulons extensibles, outre la qualité du métal, sont: 1) Qu'ils ont une partie lisse très longue A Fig 3 qui s'étend de B à C. La longueur de cette partie lisse étant déterminée par l'élasticité que l'on veut obtenir et non par épaisseur des pièces à assembler. 2) La partie filetée D Fig 3 est d'un diamètre supérieur à celui de la partie lisse de telle sorte que même en fond de filet ce diamètre soit au moins égal à celui de la partie lisse. 3) Un tube entretoise E Fig 3 compense la longueur du boulon. 4) Ce type de boulons comporte, immédiatement sous la tête, une portée de centrage F Fig 3. d'un diamètre égal à celui de la partie filetée. De tels boulons germettent,entre autre, l'assemblage étanche de brides à portées r dés, sans joint, G Fig 3, leur serrage doit s'effectuer à l'aide de clés dynamométriques qui indiquent le couple. Dans le cas de fonctionnement avec cloche de gaz neutre, comme te représente la Fig 2, il n'y aura pas de pompe à vide pour aspirer l'air du condenseur principal,C Fig 2, puisoue celui-ci fonctionnera sous une pression légerement supérieure à la pression atmosphérique, mais un orifice calibré, H Fig 2, constamment ouvert, limitera à une quantité infime la vapeur qui viendra se condenser en X Fig 2. Compte tenu de l'absence de surpression dans le condenseur E Fig .2 celui-ci devra être refroidi en conséquence et, dans certains cas, l'intervention d'une machine frigorifique pourra être envisagée. Cette invention ouvre la possibilité de porter à plus de 80% le rendement des turbines ou moteurs à vapeur dont le rendement nla guère dépassé Jusqu'ici 35%, ce qui se traduira par une énorme économie d'énergie. Elle peut s'appliquer aux turbines de Centrales thermiques ou nucléaires, bateaux, camions, tracteurs, voitures, avions, hélicoptères etc... Elle permettra enfin, dans certains cas, de remplacer les combustibles ou carburants d'importation par des végétaux de production française,(dont certains se renouvellent annuellement) redonnant ainsi à notre agriculture une autonomie qu'elle a perdue depuis l'avènement des tracteurs, gros consommateurs de produits pétroliers. Le faible pouvoir calorifique de ces végétaux ne permettait pas d'en envisager l'emploi dans les anciennes machines à vapeur d'eau dont le rendement, au début du sièclesntexcédait pas 12 à 13%. REVENDICATIONS 1) Procédé utilisant des fluides moteurs à faible chaleur de vaporisation caractérisé par le fait qu'il:prévoit la mise en oeuvre de liquides dont le point d'ébulition est supérleurt.à 125 C et inférieur à 200 C, et en'particulier 1 'emploi du PENTACHLORETHANE ( C2 H CL5). 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'un gaz neutre,(azote ou autre) vient automatiquement -ent prendre la place de la vapeur, lors de l'arrêt de l'insst- -allation ou de fonctionnement à faible charge, et ce dans chaque cas où l'oxygène de l'air risque autre nuisible. 5)Dispositif selon la revendication 2 caractérisé par le fait que la capacité. contenant le gaz neutre ou une certaine partie du condenseur pourront, 8 t est nécessaire, être refroidis en dessous de 0 C par une machine frigorifique.