Brevet FR2353715A1 — publié le 19771230

L'invention se rapporte à une centrale motrice de navire à moteur Diesel à suralimentation par au moins un groupe turbo-compresseur dont le compresseur est relié par un conduit à une prise d'air du moteur et dont la turbine est raccordée à un conduit collecteur des gaz d'échappement du moteur, ladite centrale comprenant par ailleurs une chaudière de récupération de la chaleur perdue qui est raccordée à la sortie de la turbine à gaz d'échappement et qui est destinée à chauffer et vaporiser un fluide de travail qui produit un travail mécanique dàns au moins une turbine à vapeur de commande d'appareillage d > élévation de la pression ou du débit de l'air dirigé sur ia prise correspondante du moteur et/ou de production d'énergie électrique. Èa demande de brevet suisse n0 4114/76 au nom de la Demanderesse décrit une centrale de ce type dans laquelle l'utilisation de la chaleur sensible des gaz d'échappement pour la commande d'appareillages permet d'-élever notablement le rendement thermique d'ensemble de cette centrale par rapport à celles de l'art antérieur-. Mais la chaleur des gaz d'échappement de la centrale à moteur à combustion interne assurant la commande de plusieurs appareils utilisateurs de chaleur dans les navires, il faut prévoir l'alimentation en chaleur de ces appareils lorsque la chaleur sensible des gaz d'échappement est utilisée pour la commande d'autres appareillages. L'invention a pour objet une centrale motrice à moteur à combustion interne du type mentionné, mais perfectionné par l'utilisation plus complète de la chaleur d'échap- pement du moteur à combustion interne d'une part pour permettre l'alimentation d'autres appareils consommateurs de chaleur du navire et d'autre part pour améliorer encore le rendement thermique d'ensemble de la céntrale. Selon une particularité essentielle de l'invention, un échangeur de chaleur monté sur le conduit de la prise d'air du moteur est balayé par un liquide caloporteur destiné à transférer au moins une partie de la chaleur de compression de l'air de suralimentation à un appareil de mise en valeur de la chaleur monte dans le navire. Un réfrigérant peut être monté en aval de cet appareil de mise en valeur de la chaleur sur le circuit du fluide caloporteur de manière à refroidir ce dernier à une température afin de refroidir l'air de suralimentation de manière à le porter à une température convenant en service pour son introduction dans le moteur. I1 est possible,en assurant ce refroidissement complémentaire du liquide caloporteur balayant l'échangeur de chaleur, de compenser en faveur de la commande du moteur les irrégularités de prélèvement de chaleur par l'appareil uti-lisateur de cette dernière. I1 est aussi possible de monter sur le conduit de prise d'air, entre l'échangeur de chaleur et le moteur, un réfrigérant de l'air de suralimentation de manière que ce dernier soit porté en service à une température qui convient à son introduction dans le moteur. Unréchauffeur du fluide de travail de la chaudière de récupération de la chaleur perdue peut être monté dans ce cas sur le conduit d'air de suralimentation entre le compresseur du groupe de suralimentation et l'échangeur de chaleur. Ainsi, la chaleur de compression de l'air de suralimentation peut accessoirement êtreutilisée pour augmenter l'énergie que le fluide de travail prélève sur les gaz d'échappement. I1 est cependant possible aussi de monter l'échangeur de chaleur sur le circuit d'un second fluide de travail qui apporte de l'énergie à l'échangeur de chaleur. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: Les figures 1 à 5 sont des schémas de différents modes de réalisation d'une centrale motrice selon l'invention. Les mêmes éléments portent les mêmes références sur les différentes figures. La figure 1 illustre une centrale motrice à moteur Diesel 1 et groupe turbo-compresseur 2 de suralimentation. Le groupe 2 comprend un compresseur 3 qui aspire de l'air ambiant à travers un filtre 4 et qui envoie l'air comprimé par un conduit 5 dans une prise d'air non représentée du moteur 1. Le groupe 2 comprend par ailleurs une turbine 6 qui est raccordée à un conduit 7 collecteur des gaz d'échappement du moteur 1 et qu'un arbre 8 relie au compresseur 3. Les gaz sortant de la turbine 6 sont dirigés par un prolongement du conduit 7 dans une chaudière 10 de récupération de la chaleur perdue et, de cette dernière, ils pénètrent dans une cheminée 11. Un serpentin 13 formant surface de chauffe destinée à prélever la chaleur sur les gaz d'échappement est disposé dans la chaudière 10 qui peut comporter un foyer auxiliaire 12. Le serpentin 13 destiné à chauffer et à vaporiser un fluide de travail est raccordé à un circuit 14 de ce dernier. La vapeur produite dans le serpentin 13 est détendue dans une turbine correspondante 15 et parvient ensuite dans un réchauffeur 16 et dans un condenseur 17. Le condensat formé dans ce dernier est refoulé par une pompe d'alimentation 18 dans le serpentin 13 par l'intermédiaire du réchauffeur 16. Une turbine à vapeur 20 montée en parallèle sur la turbine 15 au moyen d'un conduit 14' est couplée à une génératrice électrique 21. Un distributeur 22 permet de régler le rapport des débits de vapeur passant par les turbines 15 et 20. L'arbre 8 couple aussi la turbine 15 au compresseur 3, comme montré sur la figure 1. Conformément à l'invention, un échangeur de chaleur 30 par lequel passe le circuit 31 d'un liquide caloporteur est monté sur le conduit 5 de prise d'air du moteur. Le liquide caloporteur parvient de l'échangeur de chaleur 30, par l'intermédiaire de vannes 32, dans différents appareils 33 utilisateurs de chaleur montés dans le navire. I1 peut s'agir d'installations de chauffage, d'ainsi tallations de production d'eau chaude, etc. . Un conduit 31' en derivation,passant par une vanne 34,est monté en parallèle sur les appareils 33. Un réfrigérant 35 est monté sur le circuit 31 du liquide caloporteur en aval des appareils 33. Ce réfrigérant permet d'abaisser la température de ce liquide à une température permettant de refroidir dans l'échangeur de chaleur 30 l'air de suralimentation à la température suffisamment basse, nécessaire à son admission en service dans le moteur Diesel 1. Une vanne 35' permet le réglage de la température de l'air de suralimentation. Le liquide caloporteur sortant du réfrigérant 35 parvient dans un réservoir 36 sur lequel une pompe d'alimentation 37 le prélève pour le renvoyer dans l'échangeur de chaleur 30. Les gaz d'échappement du moteur 1 commandent de manière connue en service le groupe 2 dont le compresseur 3 envoie dans ce moteur l'air à la pression voulue de suralimentation. Les gaz détendus dans la turbine 6 abandonnent leur chaleur sensible dans la chaudière 10 de récupération au fluide de travail qui est ainsi vaporisé. Ce fluide produit dans la turbine 15 un travail mécanique contribuant à l'alimentation du moteur en air par le compresseur 3. Lorsque de la vapeur en excès du fluide'de travail est encore disponible, elle peut être'détendue dans la turbine 20 qui commande une génératrice électrique 21. L'air sortant du compresseur 3 à une température pouvant atteindre 1500C et davantage abandonne sa chaleur dans l'échangeur 30 au liquide caloporteur. Ce liquide chauffe ensuite les appareils 33 d'utilisation de chaleur. Le réfrigérant 35 évacue la chaleur résiduelle éventuelle de ce fluide. Lorsque les appareils 33 consomment peu ou pas de chaleur, une partie de la circulation du fluide oula totalité de cette circulation peut être dirigée par le conduit 31' de dérivation directement sur le réfrigérant 35. I1 est ainsi certain que ce fluide est refroidi à la température nécessaire au refroidissement de l'air de suralimentation à la température requise en service. Le mode de réalisation de la figure 2 diffère essentiellement de celui de la figure 1 par la suppression du réfrigérant 35 sur le circuit du liquide caloporteur et par le refroidissement de l'air de suralimentation à la température nécessaire en service par un réfrigérant 40. Une soupape automatique 41 de dérivatioiqui relie le refoulement de la pompe de circulation 37 au réservoir d'équilirage 36 remplace le conduit 31' de dérivation et la vanne correspondante 34. L'air de suralimentation est refroidi dans le mode de réalisation de la figure 2 dans le réfrigérant 40 après avoir abandonné sa chaleur dans l'échangeur 30. Une vanne 40' permet le réglage de la température de l'air de suralimentation. Le mode de réalisation de la centrale de la figure 3 diffère essentiellement de celui de la figure 2 par un serpentin 50 qui est monté en amont du serpentin normal 30' de l'échangeur de chaleur 30 par rapport à la circulation de l'air de suralimentation. Le fluide de travail de la chaudière de récupération 10 passe par le serpentin 50 sur son circuit de la pompe 18 dans le serpentin 13 de cette chaudière 10. Le serpentin 50 forme ainsi un réchauffeur du fluide de travail qui alimente la chaudière 10. Ainsi, une partie de la chaleur de compression de l'air de suralimentation est utilisée en service pour la production de travail mécanique au moyen de la chaudière de récupération.La turbine 15 du circuit de ce fluide de travail n'est pas couplée au groupe turbocompresseur 2, comme dans les deux modes de réalisation pré cédents, mais a une soufflante amont 51 de ce groupe 2. Une génératrice électrique 53 est montée sur l'arbre commun 52 de la turbine à vapeur 15 et de la soufflante amont 51. Cette génératrice 53 est destinée à produire de l'énergie électrique lorsque le travail produit par la turbine 15 n'est pas utilise ou n' est pas totalement utilisé pour la commande de la soufflante 51. La figure 4 illustre un moteur Diesel 1 comprenant un collecteur 60 des gaz d'échappement, un collecteur 61 de l'air de suralimentation ainsi qu'un collecteur auxiliaire 62 d'air. Par ailleurs, une soufflante auxiliaire 63 refoule de l'air du conduit 5 de suralimentation dans le collecteur auxiliaire 62. Le brevet des EUA nO 3 447 313 décrit en détail une machine de ce type. La soufflante auxiliaire 63, qui est destinée à élever la pression ou le débit de l'air de suralimentation de manière analogue à la soufflante amont 51 du mode de réalisation de la figure 3, est couplée à un moteur électrique 64. Un conducteur électrique 65 connecte ce moteur 64 par l'intermédiaire d'un régulateur 66 à unegénératrice53 qui est couplée à la turbine à vapeur 15. L'échangeur de chaleur' 30 du mode de réalisation de la figure 5 est destiné finalement à chauffer et vaporiser un fluide caloporteur convenable d'un circuit 70. Celui- ci passe en aval de l'échangeur 30 par une turbine à vapeur 71, un condenseur 72 et une pompe d'alimentation 73. La turbine 71 est couplée dans ce cas avec la turbine à vapeur 20 de la figure 1 à la génératrice électrique 21. L'énergie récupérée sur la chaleur de compression de l'air de suralimentation est dirigée ainsi en totalité sur le réseau de bord du navire. Le fluide de travail.ainsi que le liquide ou fluide caloporteur peut être de manière connue de l'eau. I1 est cependant possibile aussi d'utiliser d'autres liquides, par exemple des hydrocarbures fluorés. I1 va de soi que les centrales motrices décrites et représentées peuvent subir diverses modifications sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Centrale motrice de navire à moteur Diesel suralimenté par au moins un groupe turbo-compresseur dont le compresseur est relié par un conduit à une prise d'air du moteur et dont la turbine est raccordée à un conduit collecteur des gaz d'échappement de ce moteur, une chaudière de récupération de la chaleur perdue étant montée à la sortie de la turbine à gaz d'échappement et étant destinée à chauffer et vaporiser un fluide de travail qui produit une énergie mécanique dans au moins une turbine à vapeur de commande d'un appareillage d'élévation de la pression ou du débit de l'air dirigé sur la prise d'air du moteur et, le cas échéant ou en variante, de production d'énergie électrique, ladite centrale étant caractérisée en ce qu'un échangeur de chaleur monté dans le conduit de prise d'air du moteur est balayé par un liquide caloporteur destiné à transférer au moins une partie de la chaleur de compression de l'air de suralimentation à un appareil de mise en valeur de la chaleur monté. dans le navire. 2. Centrale selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un réfrigérant monté en.aval de l'appareil de mise en valeur de chaleur sur le circuit du liquide caloporteur est destiné à abaisser la température de ce dernier à une valeur permettant le refroidissement de l'air de suralimentation à la température nécessaire en service à son admission dans le moteur. 3. Centrale selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un réfrigérant monté entre l'échangeur de chaleur et le moteur sur le conduit de prise d'air de ce dernier est destiné à refroidir le liquide.ealoporteur à une température permettant d'abaisser celle de l'air de suralimentation à la valeur qui convient en service à son admission dans le moteur. 4. Centrale selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'un réchauffeur du fluide de travail de la chaudière de récupération de la chaleur perdue est monté sur le conduit-de prise d'air du moteur entre le compresseur du groupe de suralimentation et l'échangeur de chaleur. 5. Centrale selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'échangeur de chaleur est monté sur le circuit d'un fluide caloporteur qui est chauffé et vaporisé dans cet échangeur et qui produit un travail mécanique dans une turbine.