Brevet FR2411301A1 — publié le 19790706

Le faible rendement thermodynamique des moteurs å vapeur d'eau, qu'il s'agisse de turbines ou de moteurs à pistons, est dA au fait que la majeure partie de la chaleur est absorbée par la transformation du liquide en vapeur (a37 Mth & . Cette chaleur, restituée par la condensation de la vapeur, ne produit aucune force motrice. Ainsi les anciennes locomobiles à vapeur, très employées de 1900 à 1940, fonobonnant sous 8 bars ne transformaient guère que 42 Mth en force motrice sur les 5?9 Mth absorbées pour obtenir 1 K de vapeur à 184OC en partant d'eau à 100 C, soit un rendement théorique d'environ 8%o ce-qui correspondait à un gaspillage d'énergie de 92%. Les Locomotives de la meme époque, qui- fonctionnaient sous 20 bars avec surchauffe de la vapeur et double expansion, avaient un rendement sensiblement superieur mais toujours désastreux. Aujourd'hui les machines à pistons-ont pratiquement disparu pour faire place, notamment dans les centrales thermo-electriaues à des turbines dans lesquelles-ia température de surchauffe ntest pa limitée par des problèmes de lubrification. C'est ainsi qu'actuellement certaines turbines fonctionnent sous 165 bars avec de la vapeur surchatfféeà 540 C. Cette élévation de température provoquant une forte augmen- -tation du volume de la vapeur réduit le pourcentage de perte dû å la chaleur de vaporisation mais cette perte existe toujours, et le rendement des dites i-nstallations est encore déplorable; environ 30 à 35%, soit 65 à 70% de la chaleur gaspillée en pure perte On est limité, dans la voie de la surchauffe et des hautes pressions, par le fait que l'augmentation excessive de tempéra; -ture réduit la résistance du métal des générateurs alors que ltélévation de la pression soumet ce métal à un effort plus grand. e A noter que dans ces dernières installations la vapeur d'échappement est condensée et-recyclée sous forme liquide, théoriquement il n'y a pas consommation de fluide moteur, aussi partant de ce principe et en vue d'améliorer le rendement thermo -dynamique ? certains ont préconisé de substituer à l'eau des liquides a faible chaleur de vaporisation tels que Tétrachlorure de Carbone, Perchloréthylène etc...voir Brevets FR 670033 (STOCES) US 3 282 048 (Allied Chemical), US 3 802 L86 (VU PONT de NhMOURS). Les différents liquides proposés ont tous une chaleur de vaporisation inférieure à 50 Mth K soit, au minimumy 11 fois moindre que celle de l'eau. Le fonctionnement en circuit fermé et étanche supprimant les pertes et permettant de réemployer indéfiniment le même fluide autorisait cette substitution malgré le prix élevé de ces liauide mais leur instabilité aux changementstdçétat et aux températures élevées n'a pas, jusqu'ici, permis cette application. Ces différents inconvénients m'ont amené à concevoir le Système à vapeur d'eau permanente recyclée par compresion sous volume réduit faisant l'objet de la présente invention. Ce Système supprime la phase liquide cause originelle du mauvais rendement. Une autre particularité de cette invention réside dans le fait que la variation de puissance du moteur est en partie obtenue par la variation de la pression de vapeur dans le surch -auffeur, cette vapeur étant, en principe, maintenue à tempéra -ture constante. Le dessin ci-annexé est un schéma d'une installation de ce genre. Pour faciliter la compréhension du procédé voici d'abord la nomenclature des organes ou éléments d'après leur lettre de référence: A. Moteur de lancement. B. Compresseur. C. Surchauffeur du circuit du fluide moteur. D. Source de chaleur du surchauffeur. E. Moteur. F. Hefroidisseur de vapeur motrice G. Eau bouillante de refroidissement. H. Condenseur de la vapeur d'eau de refroidissement. I. enceinte commune du refroidisseur de la vapeur motrice etdu condenseur de la vapeur d'eau de refroidissement. J. Trous d'évent mettant cette enceinte en comunication avec l'atmosphère K. Source de chaleur réchauffant l'eau de refroidissement jusqu'a son point d'ébullition pour la mise en régime de 1 'ensemble. L. Séparateur de liquide. N. Calorifugeage de l'ensemble, y compris le compresseur et le refroidisseur de vapeur motrice. O. Vanne de vidange du circuit du fluide moteur pour la mise en régime, d'autres vannes semblables peuvent être placée aux différents points bas. P. Vanne 3 voies permettant de remplir l'installation d'air ou d'un autre gaz, comprimé à plusieurs bars pour la mise en régime. Q. Tubulure d'aspiration de vapeur refroidie. R. Vanne 3 voies permettant de faire le vide dans llinstal- -lation avant l'introduction de la réserve d'eau bouill -ante et par conséquent du remplissage de vapeur d'eau du circuit du fluide moteur. S. Vanne d'introduction de la réserve d'eau bouillante. biveau visible de la réserve d'eau bouillante. T. Partie du serpentin de refroidiiisement de vapeur motrice plongeant dans la réserve ctteall bouill nte pour la maintenir à uon point d'ébrliition. U. Système anti-vagues pour leZ installation montres sur véhicules. V. Variateur de vitesse commandant le comr,lesneur ct assurant ainsi la variation de pression dans le surchauffeur et par conséquent la puissance du moteur suivant les besoins. Arrivée d'eau froide dans le condenseur d'eau de refroi -dissement. Y. Thermostat agissant sur la source de chaleur et mainte -nant la vapeur motrice à une température constante. EQ CTIONNEMENT: La mise en route de-ce type de moteur s'opère en deux phases. 1) La mise en régime 2) Le fonctionnement normal Pendant la période de mise en régime, c'est à dire jusqu'à ce que l'ensemble ait atteint une température suffisante pour que la vapeur d'eau ne se condense pas le fluide utilisé sera l'air ou un autre gaz non condensable à la température- ord.inaire. Pendant tout ce temps le circuit du fluide moteur sera exempt d'eau. Lorsque l'ensemble aura atteint une température suffisante le gaz sera évacué, le vide sera fait dans le circuit du fluide moteur C et ensuite seulement un-peu d'eau bouillante sera introduite dans le séparateur de liquide L par la vanne S jusqu' -au niveau M. A partir de ce moment le moteur pourra fonctionner en régime normal. Voici dtailleurs les différentes manoeuvres'à effectuer pour obtenir ce résultat: MISE EN REGIMBE, l)Mettre en action la source de chaleur K jusqu'à ce que l'eau de refroidissement G atteigne son point d'ébullition. 2) Mettre en action la source de chaleur D agissant sur le surchauffeur et commandée par thermostat. 3) Mettre en route le moteur de lancement A qui entraîne le compresseur B, alors désolidarisé du moteur E. 4) Introduire de l'air ou un autre gaz dans le circuit du fluide moteur à l'aide de la vanne 3 voies P, laquelle en même temps obture le circuit. 5) Dès que la pression atteint 2 ou 3 bars, ouvrir la vanne O pour transférer la réserve d'eau du séparateur de liquide L dans l'eau de refroidissement G, et refermer cette vanne dès qu'il ne reste plus d-'eau dans le séparateur. Si l'installation comporte d'autres vannes de purge effec -tuer la même manoeuvre pour chacune d'elle afin que le circuit du fluide moteur soit exempt d'eau. 6) Lorsqu'on aura obtenu une pression suffisante, 5 à 6 bars par exemple, refermer la vanne 3 voies P qui rétablit alors le circuit du fluide moteur. 7) Manoeuvrer le variateur V pour rétablir la liaison entre le moteur X et le compresseur B puis arrêter le moteur de lan -cement qui sera évidemment débrayable. Llensemble fonctionnera alors à faible puissance (nous verrons plus loin pourquoi) pendant toute la durée de la mise en régime. MISE EN FONCTIONNEMENT NORMAL, l)Attendre que l'eau de refroidis point d'ébulition, lorsque cette eau bout arrêter la source de chaleur K dont on n'aura plus besoin jusqu'à une autre remise en régime éventuelle. 2) Manoeuvrer le variateur V pour désàcoupler le compresseur B du moteur E ce qui a pour effet d'arrêter l'ensemble. 3) Ouvrir la vanne 3 voies R pour faire chuter la pression; cette vanne obture en même temps le circuit du fluide moteur. 4) Quand la pression est tombée remettre en marche le moteur de lancement A qui entraîne de nouveau le compresseur B. celui-ci fait alors office de pompe à vide et éjecte, par la vanne X, tout le gaz contenu dans le circuit du fluide moteur. 5) Quand le vide est obtenu fermer la vanne 3 voies R qui rétablit en même temps le circuit du fluide moteur et ouvrir la vanne S pour introduire de l'eau bouillante dans le séparateur de liquide L, le circuit du fluide moteur se remplit immédiate -ment de vapeur d'eau; et le moteur peut fonctionner. 6) Manoeuvrer le variateur V pour réaccoupler le compresseur B avec le moteur E, l'ensemble étant alors en ordre de marche arrêter le moteur de lancement A et régler la puissance en agis -sant -sur le variateur V qui fera varier la vitesse de rotation du compresseur B par rapport à celle du moteur b et, partant, la pression de vapeur en amont de ce dernier. 7) La vanne S, à laquelle on peut Si nécessaire adjoindre une pompe, sera laissée ouverte jusqu'à ce que le niveau d'eau dans le séparateur de liquide L ait atteint le niveau M. Le cycle de fonctionnement s'établit alors comme suit: La vapeur d'eau, refroidie aux environs de llosc dans le serpentin F, passe dans le séparateur de liquide L en plongeant en T dans la réserve d'eau bouillante pour en maintenir la température, elle est ensuite aspirée par le compresseur B qui la comprime sous pression variable,(2 à 20 bars par exemple). Cette variation de pression oui conditionne l'essentiel de la puissance du moteur E est principalement fonction de l'écart de régime de rotation entre le compresseur et le moteur. Le travail de compression a pour second effet d'élever sensiblement la température de la vapeur qui est ensuite surch -auffée à )809C ou plus dans le surchauffeur C avant de pénétrer dans le moteur E où elle se détend en fournissant un effet dynamique, cette détente a pour second effet d'abaisser la température de la vapeur qui passe ensuite dans le refroidisseur F immergé dans l'eau bouillante G, cette eau étant en comnunica- -tion avec lsatmosphère reste obligatoirement à une température voisine de 100 C et refroidit aux environs de llOgC la vapeur qui est reprise par le compresseur B pour être de nouveau comprimée et surchauffée avant de revenir dans le moteur t; sans avoir été condensée. Ce Cycle que nous appelerons "A VAPEUR PERMANENTE" évite de perdre les 537 Mth K absorbés dans les moteurs à vapeur d'eau connus jusqu'ici lesquels condensent la vapeur pour la recycler sous forme liquide. Théoriquement la puissance absorèC-e pour la compression devrait etre intégralement restituée lors de la détente dans le moteur, en pratinue il y aura perte par frottement dans le compresseur et perte de chaleur par les parois, pour réduire cette dernière le compresseur lui même sera calorifugé efficacement (voir en N) comme d'ailleurs l'ensemble de l'installation, ce n'est qu'à cette condition qu'on peut obtenir un fonctionnement correct et un rendement thermodynamique élevé. La chaleur abandonnée dans le refroidisseur F par la vapeur d'échappement du moteur R maintiendra l'eau de refroidissement G en état d'ébullition permanente, la vapeur dégagée par cette ébullition sera retransformée en eau au contact du condenseur H et retombera en G pour être évaporée de nouveau mais le fluide moteur contenu dans le serpentin F ne sera, lui, jamais condensé. En principe il n'y aura aucune consommation d'eau à moins que ce ne soit pour le refroidissement du condenseur H l'eau qu'il contient sort chaude en X pour revenir refroidie en W. Dans les moteurs classiques à vapeur d'eau la production d'un K de vapeur à 380QC,en partant d'eau à 100oC, absorbe environ 677 Mth alors que dans le moteur à vapeur permanente faisant l'objet de la présente invention 135 Mth seulement suffiront pour remonter 1 K de vapeur de 110 à 380oC, il n'est donc pas insensé d'espérer obtenir par ce moyen un rendement thermodynamique de tordre de 80%. Non seulement la perte de chaleur peut descendre de 65/70% à environ 20 mise les 2/3 de cette perte peuvent être utilisés dans un circuit de chauffage urbain ou autre. En ef-fet, la nécessite de maintenir à son point d'ébullition l'eau G-de refroidissement de vapeur permet de laisser monter à 9OQC l'eau sortant du:-conenseur H en X sans que le rendement thermodynamique n'en soit dégradé (ce qui n'est pas le cas dans les turbines actuelles). A cette température l'eau de refroidissement du condenseur H ouvre la possibilité d'alimenter, par simple pompage, un circuit de chauffage permettant de récupérer environ 60 Mth K soit les 2/'3 des 20 de chaleur perdue et de ne laisser ainsi qu'environ 7% de chaleur inutilisée alors qu'actuellement dans les centrales thermo-électriques existantes ctest en moyenne 70 de la chaleur absorbée qui part en pure perte dans le système de condensation c'est dire dans l'eau des mers, fleuves, ou dans l'air des tours de refroidissement. I1 a été indiqué (Page 3 lignes 49 à 51) que lors de la mise en régime un gaz , Air ou autre, remplaçant la vapeur d'eau le moteur fonctionnerait à faible puissance, voici pourquoi: Dans le type de moteur ci-dessus décrit la différence de température du fluide moteur entre sa sortie du refroidisseur et son arrivée au moteur est de l'ordre de + 210oC. La loi de BoYLE-wiAHIoTT précise qu'il faut élever de 27oC la température d'un gaz pour, sous pression égale, en doubler le volume, dans le cas précis que nous traitons l'élévation de 210oC de la température du gaz contenu dansez le circuit du fluide moteur n > en multipliera le volume que par 2 environ alors que d'après les tables de MOLLIssR en portant la vapeur d'eau de 110 à 380QC, toujours à pression constante, on multiplie son volume par 130 environ. Cette différence énorme de coefficient de dilatation explique que, même en poussant au maximum le régime de rotation du compres -seur, la puissance obtenue sera très faible lors de la mise en régime et ce jusqu'à ce que la vapeur d'eau vienne se substituer au gaz pour le fonctionnement normal. La présente description n'est pas limitative, le moteur à vapeur d'eau permanente peut fonctionner sous d'autres pressions que-celles indiquées, il peut Autre muni de tous dispositifs connus d'alimentation, commande, chauffage, contrôle, régulation ou autres sans que cela ne change rien au principe de l'invention, en parti -culier pour fonctionner à grande altitude l'eau de refroidissement de la vapeur pourra être soumise à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Enfin le principe de cette invention peut également s'appliquer aux turbines, moteurs rotatifs, à palettes ou autres. REVENDICATIONS 1) Procédé caractérisé par le fait qu'il supprime la phase liquide et permet aux acteurs thermiques a vapeur d'eau de fonctionner on vapeur permanente recyclée par compression après refroidissement à * detFes-au dessus de sa température condensation. 2) Procédé suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que l'abaissement de température, préalable à la compres- -sion, est conditionné par l'évaporation du fluide de refroidie -sement. 3) Procédé suivant la-revendication 1 caractérisé par le fait que ce type de moteur fonctionne sous pression variable la vapeur, lors de son admission dans le moteur, étant maintenue à unu température sensiblement constante. 4) Procédé suivant la revendication 3 caractérisé par le fait que la variation de pression, et par conséquent de puissance, est obtenue par la variation de débit du- compresseur. 5) Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il prévoit l'introduction d'un gaz dans le circuit du fluide moteur pour la mise en régime et, lorsque la température de l'ensemble est suffisamment élevée, de faire le vide dans ce circuit avant l'introduction de la vaeur- d'eau. 6) Dispositif amour la mise en oeuvre du procédé,suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qutil comporte : Un Compresseur pouvant ôtre- couplé au moteur, un dispositif de surchauffe, un Moteur où se produit la détente, un Refroidisseur de la vapeur détendue à quelques degrés au dessus de sa température de condensation, un sépara -teur de liquide, et dans certains cas des échangeurs de température. 7) Disposi.tlf-suivant les revendications 1 et 6 caracté -risé par le fait qu'en plus des tubulures et capacités conte -nant le fluide moteur le refroidisseur de ce fluide est lui mme calorifugé efficacement. 8) Dispositif selon les revendications 1 et 6 caractérisé par le fait que le circuit du fluide moteur comporte, entre le refroidisseur et le compresseur, un séparateur de liquide et une réserve d'eau bouillante laquelle peut être alimentée par le refroidisseur, maintenue en température par la vapeur déten -due,vidanneable pour la mise en régime, et munie d'un disposi -tif anti-vagues. 9)Dispositif suivant les revendications 1 et 6 caractérisé par le fait que le refroidisseur de vapeur comporte un système de chauffage. 10)Dispositif suivant les revendications 1 et 6 caractérisé nar le fait qu'en certains cas,et notamment lors d'application du procédé aux turbines, des échangeurs capteront la chaleur de la vapeur détendue avant son refroidissement et la -transmettront Il la vapeur comprimée avant sa surchauffe.