Brevet FR2475116A1 — publié le 19810807

La présente invention concerne un procédé pour la production thermique d'un courant d'un agent moteur, en particulier pour entraîner des turbines et autres organes semblables. Dans les turbines à vapeur il est nécessaire, pour avoir un rendement satisfaisant, de condenser en phase liquide la vapeur qui est reprise de la turbine, le liquide étant ensuite recyclé à la chaudière par une pompe. Cette invention a particulièrement pour objet une machine de transmission d'énergie sous la forme d'une turbine fonctionnant par la force de réaction d'un jet de liquide atomisé à haute vitesse produit par voie thermique, dans lequel la phase vapeur est si faible qu'un condenseur n'est plus nécessaire. L'invention repose sur le concept que de l'eau qui a été chauffée à haute température sous une pression à laquelle elle ne bout pas, pour être reprise par un passage de sortie et envoyée à une tuyère de forme et de dimensions voulues pour que l'agent moteur s'écoule dans un milieu ambiant à basse pression, forme un jet très rapide de très fines gouttelettes qui est à une tempéra- ture étonnamment basse, et qui, d'une manière surprenante aussi, ne contient pratiquement pas de vapeur. La majeure partie de la chaleur qui a été fournie à l'agent moteur se retrouve dans le jet pulvérisé sous forme d'énergie cinétique des gouttelettes, une très faible partie seulement devenant de la chaleur latente de vaporisation du liquide, c'est-à-dire que seule une très petite quantité de celui-ci est vaporisée. Le présent Demandeur a procédé à de nombreux essais avec un dispositif expérimental simple comprenant une chaudière cylindrique à axe vertical chauffée élec- triquement, avec er. haut un orifice d'alimentation en eau à fermeture à vis, et en bas un canal d'écoulement conduisant t; une vanne de réglage et à une tuyère de sortie horizontale. Cette chaudière est suspendue vers 24751 '1 6 le haut, de manière à pouvoir pivoter, sur un arbre hori- zontal, et la tuyère est fixée à un dynamom.tre sur lequel on peut lire directement la force de réaction du jet atomisé. Un manomètre indique la pression dans la chaudière et un thermomètre bien étalonné, dont un racccrdsoudé plonge dans de la glace fondante, indique la température à l'embouchure de la tuyère de sortie. Le canal d'écoulement a un diamètre d'environ mm et une longueur d'environ 70 mm, la tuyère a dans- sa partie la plus étroite une section de l'ordre de 2 mm et sa section à la sortie est de 200 mm2, avec un angle de cone d'environ 10 La chaudière a une capacité de l'ordre de 1 litre mais n'est remplie pour les essais que d'environ 0,7 litre d'eau seulement pour éviter le risque d'éclatement par l'expansion de l'eau chauffée. Dans un essai représentatif de l'invention, on.- chauffe l'eau jusqu'â ce que le manomètre indique environ 86 bars (8,6 MPa), ce qui correspond â une temperature de l'eau motrice de l'ordre de 3000 C, L'ouverture de la vanne de réglage entraîne aussitôt la formation d'un très puissant je: d'eau atomisée à haute vitesse, et pendant 6 à 7 secondes, ce -dre jusqu'2 ce que la chaudière soit vide, on note une force de réaction du jet presque constante, d'environ 100 N, la température lue à l'orifice de L tuyère étant au même moment de 35-400C. On n'observe pas de nuage de vapeur autour du jet. A la main, la température du jet à environ cm en aval de la tuyère est évaluée à 30- 35 C, et le jet mouille la main, D'après les données et les valeurs mesurées, le calcul donne environ 1000 m/s pour la vitesse de sortie du jet. La force d'action du jet sortant de la tuvère peut servir par exemple a entraîner une turbine de type connu, qui peut être soit une turbine à réaction, avec les tuyères disposées sur la roue de la turbine, soit une turbine d'action avec les tuyères fix&es dans son carter. On peut dire que cette invention est caractérisée en ce que l'agent moteur est chauffé à la température voulue dans un espace clos, sous une pression supérieure à sa pression de vaporisation à cette température, et cet agent en phase liquide est repris et envoyé à une ou plusieurs tuyères d'évacuation pour arriver dans un milieu ambiant à plus basse pression. Du fait que, conformément à l'invention, l'agent moteur est en phase liquide en aval de la turbine, il est possible, de produire par chauffage un jet de liquide atomisé, même à des températures basses-, avec un agent dont les caractéristiques sont adaptesà cette réalisation. La source de chaleur peut être une source quelconque connue, toutefois, dans le cas d'un agent moteur volatil travaillant à une température basse, ce peut être le côté condenseur d'un circuit de pompe à chaleur qui prend les calories à basse température à une source froide naturelle, telle que la mer, pour les reporter à plus haute température à la source chaude. La présente invention est décrite ci-après dans un mode d'exécution et avec référence aux dessins annexés parmi lesquels.: la figure 1 représente schématiquement un modèle de base d'une installation oDur turbine selon l'invention, spécialement conçue pour fonctionner avec de l'eau comme agent moteur, la figure 2 représente une variante conçue spé- cialement pour des agents moteurs volatils, et la figure 3 montre une tuyère de sortie de l'agent moteur de la turbine. L'installation pour turbine de la figure 1 comprend un espace clos 1 (chaudière) avec une arrivée2 pour l'eau d'alimentation et une sortie 3 pour l'eau chaude motrice. Dans la chaudière 1, dont le corps cylindrique se termine par deux calottes sensiblement hémisphériques, est placée une source de chaleur qui est un serpentin 4, dans lequel circule par exemple un gaz-de combustion chaud, de la vapeur d'eau ou autres. La sortie 3 de la chaudière débouche dans un canal d'écoulement o se trouve une vanne de-ré- glage 4 servant à couper et à régler le débit d'écoulement de l'eau motrice dans ce canal, lequel se poursuit jusqu'à un passage d'arbre 6 dans la turbine 10. Cette turbine 10 est de préférence une turbine à réaction, dans laquelle - l'agent moteur arrivant par l'arbre passe dans une roue et va à des tuyères d'évacuation-du type représenté sur la figure 3, tuyères qui sont disposées tangentiellement à la périphérie de la roue. La turbine comprend un carter enfermant sa roue, pour recueillir-l'eau pulvérisée sortant - des tuyères, qui est évacuée par un conduit 12 débouchant dans un réservoir récepteur 13, d'o part un conduit 15 allant à une pompe d'alimentation 16, puis à l'orifice d'entrée 2 de la chaudière 1 en passant éventuellement par. une soupape de non-retour 17. La référence 11 désigne un générateur. - - Le réservoir récepteur.13 a pour rôle d'équilibrer des différenc esoccasionnelles de débit. entre la turbine 10 et la pompe d'alimentation 16. L'eau pulvérisée étant froide dans la turbine 10 et pratiquement sans vapeur d'eau, un condenseur n'est pas nécessaire, comme le montre la figure 1, pour refaire passer la vapeur à l'état liquide. Au lieu de cela, le récepteur 13 est mis en communication avec l'atmosphère: par une ouverture 14; il est ainsi à la pression atmosphé- rique, de même que pratiquement le conduit de sortie 12 et le carter de turbine. - - Pour compenser les-pertes d'eau possibles, il est prévu un tuyau d'alimentation 18 avec un clapet 19 pouvant être réglé par le niveau du liquide dans le récepteur 13. L'installation de turbine de la figure 2 comprend les mnes éléments de base que celle représentée sur la figure 1, mais elle est destinée à des agents-moteurs fonctionnant entre des limites de température relativement basses, et elle est donc conçue en système fermé. Sur. la figure 2, les éléments identiques sont désignés par les mêmes numéros de référence que sur la figure 1. 2475.16 L'espace clos dans lequel est chauffé l'agent moteur est divisé en deux parties, lb et lc, dans lesquelles l'agent circule et ot il est chauffé par le milieu des circuits de chauffage respectifs 4b et 4c- La pression dans le circuit de l'agent moteur est supérieure à la pression de vaporisation de cet agent à la température qui règne dans l'espace clos, ce qui empêche son ébullition. La température finale de l'agent moteur est ainsi infé- rieure à sa température critique, de sorte qu'il sort en 3 à l'état liquide. Le débit de l'agent moteur dans la turbine 10 est réglé par la vanne 5.Le liquide pulvérisé qui est repris de la turbine 10 est recueilli dans le réser- voir récepteur 13, qui, au contraire de celui de la figure 1, est fermé pour permettre dans ce récepteur une pression indépendante de la pression atmosphérique, et une pompe 16 reprend l'agent moteur du récepteur 13 pour le renvoyer à l'espace lb, le, en passant par une soupape de non-retour 17. Comme exemple d'agent moteur on peut indiquer le dioxyde de carbone, qui peut travailler par exemple entre les limites de température de +310C et 300C, et dont le chauffage dans l'espace lb, lc peut se faire directement par énergie solaire ou bien, par exemple, au moyen d'eaux chaudes, telles que les eaux de mers tropicales ou autres. Si la température dont on dispose au cours de certaines périodes est insuffisamment élevée, on peut chauffer avec une pompe à chaleur reliée à l'installation. L'espace clos est ainsi divisé en deux parties, lb, lc. Toutefois, comme on ne dispose pas normalement de températures descendant jusqu'à -300C, on est obligé de refroidir le liquide pul- vérisé, en aval de la turbine 10, au moyen d'un circuit de refroidissement. Sur la fîiure 2, ce circuit comprend en principe une pompe à chaleur qui, à l'aide de l'évapo- rateur 21, enlève des calories au liquide pulvérisé et les reporte à l'agent moteur après la pompe 16, dans un condenseur. 22. La référence 20 désigne le compresseur de la pompe à chaleur et la référence 23 sa soupape d'étranglement ou re- gistre. 24751 16 6 6 En état de régime, le liquide pulvérisé, en aval du compresseur, est refroidi à -30 C, cédant ses calories au circuit de la pompe à chaleur, calories qui sont appor- tées à l'agent moteur dans le condenseur 22. Comme la tempé- rature de l'agent moteur est sensiblement la même après la pompe 16 qu'avant, la pompe à chaleur fonctionne dans un intervalle de températures relativement étroit de sorte que l'énergie qui doit lui être fournieest faibleo Le compresseur 20 sera de préférence actionné par le généra- teur 11. Le condenseur 22 n'ayant pas au début une capa- cité de condensation suffisante, on lui adjoint un conden- sateur supplémentaire 22a qui est relié au circuit de la pompe à chaleur par l'intermédiaire d'une soupape 24, comme le montre la figure 2. L'agent moteur étant le dioxyde de carbones le fluide réfrigérant du circuit de la pompe à chaleur peut être de préférence l'ammoniac. Quand on met en marche l'installation conforme à la figure 2, la vanne de réglage 5 doit être fermée et la turbine 10 et le récepteur 13 doivent être refroidis à -30 C par l'intermédiaire du compresseur 20 du circuit de la pompe à chaleur dont la soupape 24 est ouverte. Le registre 23 (soupape d'étranglement) règle la température du récepteur 13. Quand la température dans ce récepteur est tombée à -30 C, et que l'agent moteur a pris la température voulue dans les espaces lb et lc, on ferme la soupape 24, on ouvre entièrement la vanne de réglage 5 et on met en marche la pompe de circulation-16, ce qui fait démarrer la turbine 10. Le système comprend en outre une soupape de sécurité 25. La figure 3 représente une tuyère à réaction 25 pour l'eau pulvérisée, rropre à l'emploi pour 1'exe- cution de cette invention, l'eau pulvérisée servant d'agent moteur pour actionner la turbine 10. Cette tuyère comporte une entrée 26 dont la section va en se 247511E rétrécissant vers l'aval jusqu'à l'étranglement 27, pour s'élargir ensuite jusqu'à la sortie 28, et, d'une manière caractéristique, l'angle de cône, sur la plus grande partie de la zone de sortie 29, est d'environ 10 , et le rapport entre la section de sortie et la section de l'étran- glement est de l'ordre de 100. Pour réduire l'érosion due à l'action de l'eau, la partie entrée peut être en un matériau plus dur et plus résistant pour une garniture 30 que pour la partie restante de la tuyère. REVENDICATIONS:- 1.- Procédé pour produire par chauffage un courant d'un-agent moteur, destiné notamment à entrainer une turbine (10 ou des organes semblables, procédé caractérisé en ce que l'agent moteur est chauffé une température prédéterminée dans un espace clos (1) ou chaudière, sous une pression. supérieure à sa pression de vaporisation à cette tempé- rature pour qu'il reste à l'état liquide, et il est repris de l'espace clos (1), à un débit réglé, sous la forme d'un jet atomisé en fines gouttelettes qui passe dans une ou plusieurs tuyères d'évacuation (25) pour arriver. dans un milieu ambiant à plus basse pression. 2 - Procédé selon la revendication i, caractérisée en ce que l'agent moteur est l'eau et le milieu ambiant à plus basse pression est à la pression atmosphérique. 3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'agent moteur est constitué par une matière plus volatile que l'eau, et le courant est produit dans un circuit fermé de manière que cet agent, après avoir cédé une partie de son énergie, par exemple à la tur- bine (10), soit refroidi par un évaporateur (13) faisant partie du circuit d'une pompe à chaleur, et que les calo _ ries prises dans l'évaporateur (21) de ce circuit soient reportées à l'agent moteur qui retourne à l'espace clos - (lb, lc), par l'intermédiaire d'un condenseur (22) faisant également partie du circuit de la pompe. 4-- Procédé selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que l'agent moteur, après qu'il a cédé une partie de son énergie,-par exemple à la turbine (10), est recueilli dans un réservoir 'ré- cepteur (13) destiné à équilibrer le débit du liquide. - ' -;: _ 0 *:-j'