Brevet FR2519383A1 — publié le 19830708

L'invention concerne, d'une manière générale, des systèmes destinés à augmenter le rendement des compresseurs de gaz du type centrifuge et, en particulier, un ensemble destiné à injecter un liquide vaporisable, tel que l'eau, directement dans le courant de gaz d'un compresseur centrifuge multiétagé. Les compresseurs centrifuges de gaz sont utilisés depuis longtemps pour de nombreux usages, y compris des applications aussi diverses que les moteurs à réaction et les pompes de chaleur. Des développements antérieurs concernant les compresseurs centrifuges de gaz ont montré que l'injection d'un liquide vaporisable dans le courant de gaz du compresseur en vue de réaliser une compression humide, ou une compression entrainant la vaporisation du liquide injecté, par opposition à la compression sèche, est particulièrement intéressante.La raison en est que la vaporisation du liquide injecté dans le compresseur réduit la température d'entrée de l'étage de compresseur "en amont" du point d'injection du liquide, ce qui se traduit par une augmentation importante du rapport de compression, ou rapport de la pression de sortie du gaz à la pression d'entrée du gaz, pour une augmentation faible ou nulle de la puissance fournie au compresseur. De plus, la température de fonctionnement du compresseur peut être efficacement réduite par l'injection directe d'eau, supprimant ainsi le besoin de refroidisseurs inter-étages externes, très coûteux. Bien que les avantages procurés par l'injection d'un liquide vaporisable directement dans le courant de gaz d'un compresseur centrifuge soient très largement reconnus, les dispositifs et les techniques utilisés jusqu'ici pour réaliser la compression humide présentent un certain nombre d'inconvénients marqués. Le brevet des E.U.A. nO 2 786 626 est un exemple classique de la technique antérieure. Le procédé qu'il décrit pour comprimer du gaz dans un compresseur multiétagé se caractérise par l'injection d'un liquide vaporisable dans l'admission du compresseur, ainsi que dans le canal de jonction de chacun des premiers étages du compresseur. L'injection du liquide dans les canaux de jonction se fait au moyen de jets de liquide (un seul par étage), dirigés vers l'amont du courant de gaz du compresseur. Le compresseur de ce brevet antérieur souffre de ce qu'on atteint un degré de vaporisation du liquide injecté dans le courant de gaz du compresseur assez limité. La raison en est que l'injection du liquide a lieu dans une région à faible vitesse du compresseur, si bien qu'il n'y a pas division ou atomisation du liquide en très fines gouttelettes. C'est particulièrement ce qui se produit en ce qui concerne le liquide injecté dans l'admission du compresseur. I1 est nécessaire d'avoir de très fines gouttelettes pour obtenir un degré élevé de vaporisation, car la surface d'une telle gouttelette est grande par rapport à son volume, et cette gouttelette peut donc facilement absorber de la chaleur et se vaporiser. La vaporisation limitée du liquide injecté dans le compresseur du brevet antérieur se traduit par une réduction limitée de la puissance fournie à ce compresseur.Cette vaporisation limitée a aussi pour conséquence que de grosses gouttes de liquide viennent percuter des parties internes du compresseur, telles que l'impulseur, ce qui présente un risque sérieux de corrosion importante et de piquage de ces pièces après un temps relativement court de fonctionnement. Si l'on souhaite injecter dans le courant de gaz du compresseur le liquide délivré par les jets du brevet antérieur, à une distance convenable pour que ceux-ci atteignent un degré raisonnable d'atomisation, ce compresseur subira les inconvénients résultant de la nécessité d'avoir un appareillage complexe pour injecter le liquide dans le courant de gaz à grande vitesse. Cette vitesse élevée est nécessaire, du fait que ces jets de liquide sont dirigés en sens contraire du sens d'écoulement du courant de gaz. En conséquence, la présente invention a pour buts de: réaliser, pour équiper un compresseur multiétagé du type centrifuge et assurer l'injection directe d'un liquide vaporisable dans le courant de gaz du compresseur, un ensemble qui augmente la vaporisation du liquide injecté; réaliser, pour équiper un compresseur multiétagé et assurer l'injection directe d'un liquide vaporisable dans le courant de gaz du compresseur, un ensemble qui favorise la réduction de la puissance fournie au compresseur; réaliser, pour équiper un compresseur multiétagé du type centrifuge et assurer l'injection directe d'un liquide vaporisable dans le courant de gaz du compresseur, un ensemble qui réduise le piquage et la corrosion des pièces internes du compresseur;; réaliser, pour équiper un compresseur multiétagé du type centrifuge et assurer l'injection directe d'un liquide vaporisable dans le courant de gaz du compresseur, un ensemble qui ne requiert pas d'appareillage complexe pour injecter le liquide à grande vitesse dans le courant de gaz. Suivant les buts précités, l'invention réalise un compresseur comprenant une enveloppe, un arbre rotatif monté sur paliers à l'intérieur de l'enveloppe, et plusieurs étages de compresseur successifs disposés le long de l'axe longitudinal de l'arbre tournant. Au moins un des étages de compresseur comprend un impulseur à aubes multiples qui tourne avec l'arbre tournant, un diffuseur agencé pour recevoir un courant de gaz provenant de l'impulseur, un canal de jonction agencé pour recevoir le courant de gaz venant du diffuseur, et un dispositif d'injection de liquide qui injecte un liquide vaporisable dans le courant de gaz. Le dispositif d'injection de liquide est agencé pour injecter du liquide dans le diffuseur sensiblement en amont du canal de jonction.Le liquide vaporisable est vigoureusement brisé, ou atomisé, ce qui produit de très petites gouttelettes de liquide qui se vaporisent facilement. La description qui va suivre se réfère aux figures annexées, qui représentent respectivement: figure 1, une vue en coupe, simplifiée, d'une partie d'un compresseur multiétagé classique du type centrifuge, mettant en oeuvre la présente invention; figure 2, une vue détaillée d'une partie d'un premier étage du compresseur multiétagé de la figure 1; figure 3, une courbe représentant la vitesse de vaporisation de gouttelettes de liquide en fonction de la distance radiale des jets de liquide du compresseur de la figure 1; figure 4, une vue, faite suivant la ligne 4-4 de la figure 1, avec parties partiellement enlevées à sa partie supérieure, représentant des détails du troisième étage du compresseur de la figure 1. La figure 1 représente un compresseur à quatre étages classique du type centrifuge 10, bien que la présente invention puisse effectivement s'utiliser dans un çompresseur comportant un nombre plus élevé ou plus petit d'étages. Le compresseur 10 est représenté de façon simplifiée avec les parties fixes (l'enveloppe du compresseur, par exemple), hachurées d'une manière, et les parties tournantes, hachurées d'une autre manière. Le gaz à comprimer pénètre dans le compresseur 10 par une admission 11, traverse sous forme de courant un passage 12 et pénètre dans un premier impulseur 14 à aubes multiples fixé sur un arbre tournant 15. On sait que la vitesse de rotation élevée de l'impulseur 14 envoie le gaz, sous l'effet de la force centrifuge, de l'impulseur 14 centrifuge à un diffuseur 17, qui est de préférence du type sans aubes et est décrit plus loin avec plus de détails.Le courant de gaz comprimé passe dans un canal de jonction 18 et, par suite, dans un canal de retour 19, qui comporte classiquement des aubes directrices, telles qu'en 20, destinées à envoyer le courant de gaz dans un autre impulseur 21 à aubes multiples, représentant un second étage du compresseur 10 à quatre étages. De même, on réalise d'autres impulseurs 22 et 23, représentant respectivement le troisième et le quatrième étage du compresseur. Le second et le troisième étage du compresseur 10 mettent en oeuvre l'invention, et en bénéficient, sensiblement de la même façon que le premier étage. Ainsi, la compréhension du fonctionnement de l'un quelconque des étages un, deux ou trois permettra de comprendre le fonctionnement des étages un à trois.Si l'on considère maintenant uniquement le premier étage de compresseur comprenant l'impulseur 14, la présente invention réalise une série de jets 24 de liquide, constitués de préférence par des jets d'eau, qui sont reliés à une alimentation en liquide par les tubes 25 d'alimentation, chacun d'entre eux étant à son tour relié, par exemple, à une tuyauterie 27 de distribution, reliée elle-même à une alimentation en liquide (non représentée). Chacun des jets 24 de liquide est agencé pour injecter du liquide dans le diffuseur 17 sensiblement en amont du canal de jonction 18. L'expression "sensiblement en amont" utilisée ici signifie: à une distance au moins égale à environ 20% de la différence entre le rayon maximum du diffuseur 17 (étudié ci-dessus) et le rayon maximum de l'impulseur 14. L'importance qu'il y a à injecter le liquide dans le diffuseur 17 sensiblement en amont du canal de jonction 18 se comprend mieux en examinant la figure 2, qui est une vue détaillée de la partie supérieure du premier étage du compresseur multiétagé 10 de la figure 1. Comme il est bien connu de la technique, on donne à un "diffuseur" une forme qui le rend capable de convertir une pression dynamique, ou une énergie cinétique, en pression statique. Dans ces conditions, la ligne de séparation entre le diffuseur 17 et le canal de jonction 18, représentant le rayon maximum du diffuseur 17, est approximativement telle que représentée par la ligne en traits interrompus 28. Le diffuseur 17 est un diffuseur radial; autrement dit, l'espace disponible à l'intérieur du diffuseur 17 augmente au fur et à mesure que la distance radiale par rapport à l'axe de l'arbre rotatif 15 augmente. Comme indiqué par les flèches 29, un courant de gaz subissant une compression dans le compresseur 10 passe, de gauche à droit, dans l'aubage 14' de l'impulseur 14, dans la diffuseur 17, dans le canal de jonction 18 et dans les aubes directrices 20 du canal de retour 19.Comme le diffuseur 17 est un diffuseur radial et que l'impulseur 14 éjecte le courant de gaz 29 dans le diffuseur 17 avec une vitesse de rotation élevée, le courant de gaz 29 suit un trajet en spirale dans le diffuseur 17 et dans le canal de retour 19, bien que cela n'apparaisse pas immédiatement sur la figure 2, considérée isolément. Le courant de gaz 29 a sa plus grande vitesse quand il quitte l'impulseur 14, puis il ralentit rapidement au fur et à mesure qu'il progresse radialement dans le diffuseur 17, en raison de la conservation de la quantité de mouvement angulaire. Le fait que les jets 27 de liquide, distants radialement dans le diffuseur 17, sont sensiblement en amont du canal de jonction 18, c'est-à-dire dans une région où le flux de gaz 29 a une vitesse relativement élevée, procure des avantages importants. Par exemple, les courants de liquide injectés par l'ensemble des jets 24 dans le courant de gaz 29 se trouvent énergiquement fractionnées ou atomisées en gouttelettes extrêmement fines. Comme indiqué plus haut, plus une gouttelette est petite, plus facilement elle peut absorber de la chaleur et se vaporiser. En fait, la vitesse de vaporisation d'une gouttelette dépend directement, avec une assez bonne approximation, de sa petitesse (autrement dit, est inversement proportionnelle à son diamètre). La petitesse d'une gouttelette est elle-même liée à la vitesse relative de la gouttelette par rapport au courant de gaz 29; plus précisément, la petitesse dépend de l'exponentielle du carré de cette vitesse relative.Comme la vitesse relative dépend en premier lieu de la vitesse du courant de gaz 29, la vitesse du liquide injecté étant faible en comparaison, et que la vitesse du courant de gaz 29 varie suivant l'inverse de la distance radiale des jets 24 de liquide, la relation entre la petitesse d'une gouttelette et, donc, sa vitesse de vaporisation, et la distance radiale des jets 24 de liquide, peut être représentée graphiquement comme sur la figure 3. L'invention non seulement apporte une augmentation de la vitesse de vaporisation, mais encore augmente notablement la durée de la vaporisation, et fournit ainsi une garantie supplémentaire de vaporisation complète. L'augmentation de la durée de la vaporisation est due au long trajet en spirale que les gouttelettes de liquide doivent parcourir dans le courant de gaz 29 (figure 2) au cours de leur déplacement entre le point d'injection (au niveau des jets .24) et l'étage suivant du compresseur 10. On a ainsi deux facteurs qui interviennent simultanément pour améliorer notablement la vaporisation globale pour une faible distance radiale des jets 24 de liquide suivant la présente invention: (1) l'atomisation en gouttelettes très fines du liquide injecté, qui augmente façon marquante leur vitesse de vaporisation (voir figure 3); et (2) l'augmentation importante de la durée (ou "temps de séjour") pendant laquelle les gouttelettes restent dans le courant 29 de gaz (figure 2). La vaporisation nettement supérieure obtenue par l'invention a des conséquences importantes pour les performances et la durée de vie du compresseur 10. On a une réduction importante de la puissance à fournir au compresseur 10, et la température du courant 29 de gaz est avantageusement abaissée. Les parties internes du compresseur 10, telles que les impulseurs à aubes multiples 21, 22 et 23, ne courent maintenant pratiquement aucun risque de piquage et de corrosion par impact à grande vitesse de gouttelettes de liquide non vaporisées. Un avantage supplémentaire à ce que les jets 24 de liquide, espacés radialement dans le diffuseur 17, soient sensiblement en amont du canal de jonction 18 est le gain de pression supplémentaire apporté à l'étage de compresseur du fait d'une variation de la quantité de mouvement associée à l'extraction de chaleur, ou désurchauffage, des gouttelettes de liquide se déplaçant à grande vitesse. Ce désurchauffage augmente quand la vitesse de vaporisation et la vitesse de déplacement du liquide augmentent, ce qui se produit quand la distance radiale des jets 24 de liquide est faible. On pense que le gain de pression supplémentaire qu'il est possible d'obtenir représente au moins 2 ou 3% du gain de pression de l'étage de compresseur en l'absence de désurchauffage. Comme décrit par la présente invention, la distance radiale des jets 24 de liquide doit être supérieure à environ 1,05 fois le rayon maximum de l'impulseur 14; sinon, il se produit des instabilités dans le courant de gaz 29 sortant de l'impulseur 14. Si l'on se reporte à nouveau à la figure 2, on y trouvera un autre aspect de l'invention. Les jets 24 de liquide sont normaux ou perpendiculaires au courant de gaz 29. Ceci permet au liquide arrivant aux jets 24 d'être injecté dans le courant de gaz 29 avec une faible vitesse (15 m/s, par exemple), parce que la direction du liquide injecté est transversale par rapport au courant de gaz 29. Le liquide injecté peut donc pénétrer aisément dans le courant de gaz 29 pour fournir un degré optimal d'atomisation; toutefois, il ne faut pas que le liquide injecté vienne frapper la paroi de droite du diffuseur 17, sinon son atomisation serait mauvaise. Comme il suffit que le courant de liquide à injecter par l'intermédiaire des jets 24 ait une faible vitesse quand ceux-ci sont orientés perpendiculairement au courant de gaz 29, le dispositif d'alimentation en liquide (non représenté) destiné à l'injection du liquide peut être de construction simple. On obtiendra encore cet avantage même avec une tolérance sur l'orientation des jets 24 d'environ 10 degrés par rapport à la normale au courant de gaz 29. Si l'on se reporte maintenant à la figure 4, on y trouvera un autre aspect de l'invention. La figure 4 est une vue faite suivant la ligne 4-4 de la figure 1. Elle comporte des parties partiellement enlevées pour montrer les tubes d'alimentation 32 et l'emplacement des jets 30 de liquide, et on l'a simplifiée en omettant les aubes 26 du canal de retour. Cet autre aspect de l'invention représenté sur la figure 4 se rapporte au troisième étage du compresseur 10, qui comporte l'impulseur 22. Cet autre aspect de l'invention concerne le nombre et la position de plusieurs jets 30 de liquide (correspondant aux jets 24 du premier étage de compresseur), qui sont reliés à un dispositif d'alimentation en liquide (non représenté) par une tuyauterie de distribution 31 et des tubes d'alimentation 32.Les jets 30 sont au nombre de 6 à 12, 8 dans le meilleur mode de mise en oeuvre de l'invention. Les jets 30 sont de préférence disposés en symétrie axiale autour de l'axe longitudinal de l'arbre 15. Le nombre et la position des jets 30 indiqués ci-dessus permettent d'utiliser au maximum le courant de gaz existant dans le compresseur 10 pour vaporiser les gouttelettes de liquide. On peut utiliser dans l'invention un nombre de jets de liquide plus grand ou plus petit que celui qui vient d'être indiqué. Une limite supérieure du nombre de jets de liquide est imposée par le diamètre réduit de leur alésage, que les impuretés contenues dans le liquide injecté par eux ont toute chance de boucher. Un nombre de jets inférieur au nombre recommandé le plus faible (c'està-dire 6) aura pour conséquence que le courant de gaz existant dans le compresseur 10 sera moins bien utilise pour vaporiser les gouttelettes de liquide, mais l'invention sera encore avantageuse. Dans le mode le meilleur envisagé pour la mise en oeuvre de l'invention, le compresseur 10 constitue une pompe à chaleur industrielle caractérisée en ce que le liquide vaporisable injecté dans le courant de gaz à l'in térieur du compresseur est de l'eau et en ce que la distance radiale recommandée des jets 24 de liquide se situe entre environ 1,05 et 1,1 fois le rayon maximum de l'impulseur 14, la borne supérieure de cette plage étant particulièrement recommandée. Cette plage est basée sur un compresseur dont le rapport de compression par étage se situe entre 1,4 et 1,6 environ et dont la vitesse en bout d'impulseur par étages se situe entre 274 et 335 m/s.On obtient toutefois les effets avantageux de l'invention pour des distances radiales des jets 24 de liquide supérieures à la plage 1,05-1,10 indiquée plus haut, à condition que l'étage de compresseur fonctionne avec des vitesses en bout d'impulseur beaucoup plus élevées que celles indiquées plus haut. Cette pompe à chaleur a un rendement amélioré, non seulement grâce à l'amélioration de la vaporisation de l'eau injectée dans la pompe à chaleur, mais aussi grâce à ltaugmentation du débit-masse de vapeur dans la sortie de la pompe à chaleur. Bien que seules certaines caractéristiques recommandées de l'invention aient été représentées, à titre d'illustration, les spécialistes se rendront compte qu'il est possible d'apporter à l'invention un grand nombre de modifications et de changements. C'est ainsi, par exemple, que le compresseur 10 du type centrifuge peut être combiné à un compresseur du type axial. REVENDICATIONS 1. Compresseur, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe, un arbre rotatif (15) monté sur paliers dans cette enveloppe, et plusieurs étages successifs de compresseur disposés le long de l'axe longitudinal de l'arbre rotatif (15); l'un au moins des étages de compresseur comprenant un impulseur (14) à aubes multiples qui tourne avec l'arbre rotatif (15), un diffuseur (17) agencé pour recevoir un courant de gaz (29) venant de l'impulseur, un canal de jonction (18) agencé pour recevoir le courant de gaz (29) venant du diffuseur (17), et un dispositif d'injection de liqùide(24)destiné à injecter un liquide vaporisable dans le courant de gaz (29); ce dispositif d'injection de liquide (24) étant agencé pour injecter un liquide sensiblement en amont du canal de jonction (18). 2. Compresseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'injection de liquide comporte plusieurs jets (24) de liquide. 3. Compresseur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que chacun des jets (24) de liquide est orienté, avec une tolérance inférieure à 10 degrés par rapport à la normale, vers le courant de gaz (29) dans le diffuseur (17). -4. Compresseur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les jets (24) de liquide sont disposés en symétrie axiale autour de l'axe. 5. Compresseur suivant l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le nombre des jets (24) de liquide est compris entre 6 et 12. 6. Compresseur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la distance des jets (24) de liquide à l'axe est telle que le liquide injecté par eux dans le courant de gaz (29) est entièrement vaporisé avant de rencontrer l'impulseur d'un étage de compresseur situé plus loin. 7. Compresseur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que chaque jet de liquide (24) est espacé par rapport à l'axe d'un rayon d'environ 1,05 à 1,1 fois le rayon maximum de l'impulseur; 8. Compresseur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les jets (24) de liquide sont au nombre de 8. 9. Compresseur suivant la revendication 8, caractérisé en ce que chaque jet de liquide (24) est distant par rapport à l'axe d'un rayon d'environ 1,1 fois maximum de 1' impulseur. 10. Compresseur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les jets (24) de liquide sont agencés pour transporter de l'eau.