Brevet FR2776019A1 — publié le 19990917

L'invention s'applique à la propulsion et à la génération d'énergie électrique des navires de surface ou des sous-marins qui utilisent des turbines à combustion interne, c'est à dire obéissant aux principes de Carnot, dont la source chaude est obtenue par combustion d'un carburant dans l'oxygène de l'air ou dans l'oxygène pur et utilisant la mer comme source froide. Bien que conçue pour le domaine naval, l'invention peut être utilisée également à terre. Dans l'état actuel de l'art, les navires ou les sous-marins à propulsion dite "classique" sont dotés d'un système thermique de propulsion ou de génération d'énergie électrique utilisant l'oxygène contenu dans l'air ou stocké à bord. Les navires militaires recherchant la plus grande discrétion dans tous les domaines, dont celui du rayonnement infrarouge, il est souhaitable de rendre le navire moins détectable en choisissant un système thermique qui produise naturellement des rejets froids. A bord des sous-marins, les contraintes d'emploi du schnorchel incitent à réduire la consommation spécifique d'air et les contraintes de discrétion imposent de faible rejets thermiques. Les sous-marins embarquant de l'oxygène sont de plus capables de faire fonctionner en plongée un système thermique employé pour la propulsion ou pour la génération d'électricité: il est souhaitable d'utiliser une turbine qui puisse aussi bien fonctionner en plongée qu'en surface ou au schnorchel. L'invention permet de satisfaire aux exigences énoncées ci-dessus en réduisant la demande d'air à ce qui est strictement nécessaire au bon fonctionnement de la combustion, en réduisant le volume des rejets gazeux et en ne produisant que des rejets froids. Elle permet, suivant les versions, le fonctionnement dit "aérobie" de la turbine utilisée sur l'oxygène de l'air, celui dit "anaérobie" sur l'oxygène pur stocké à bord ou les deux modes par commutation de l'un à l'autre. L'invention utilise le procédé connu de vaporisation et surchauffe d'un fluide de travail condensable par mélange direct dans une chambre de combustion sous pression avec un carburant brûlé dans l'oxygène pur. Le mélange gazeux à haute température, fluide de travail, produits de combustion, actionne par détente une turbine en produisant de l'énergie mécanique. Le mélange gazeux est ensuite refroidi et le fluide de travail est condensé; les constituants liquides et gazeux sont séparés. Le fluide de travail sous forme liquide retourne vers la chambre de combustion pour fermer le cycle tandis que les excédents de combustion, du liquide et des gaz, sont évacués. La présente invention apporte des modifications à ce schéma de façon à permettre le fonctionnement à l'air et obtenir un rendement acceptable malgré la limitation de pression inhérente. Selon l'invention, la faible efficacité de ce système thermique à fluide condensable lorsqu'il doit fonctionner à pression modérée est palliée par l'adoption, à l'entrée de la turbine, d'une température élevée remontant la valeur du rendement thermodynamique. En augmentant fortement l'entropie du fluide, cette température autorise après détente la récupération à la sortie de la turbine de la partie de l'énergie thermique excédant la chaleur de condensation et non convertie en travail. En outre, il est fait usage d'une dilution notable dans un fluide gazeux non condensable; la part moins grande de vapeur utilisée réduit l'importance des pertes de condensation tandis que la basse température du fluide après la pompe de recirculation permet de récupérer, dans les gaz de dilution et de combustion, une part plus grande de chaleur que celle qui est perdue par l'ajout d'un compresseur d'entrée. Ces deux particularités permettent au rendement d'atteindre des valeurs supérieures. Il est donc ajouté donc aux éléments connus décrits ci-dessus, des éléments spécifiques à l'invention qui sont un échangeur de chaleur en sortie de turbine et un compresseur d'entrée qui, dans le fonctionnement aérobie, est nécessaire à l'alimentation en air de la chambre de combustion et qui, dans le fonctionnement anaérobie, permet le recyclage du fluide gazeux de dilution. Enfin, l'évacuation des produits liquides en excès exige, après séparation, une pompe de refoulement ou un by- pass après la pompe de recirculation et celui des gaz une soufflante, un deuxième compresseur ou un by-pass en sortie du compresseur d'entrée, la première utilisable en échappement aérien et l'un des deux ou les deux autres à la fois étant indispensables pour l'échappement sous-marin. Font partie intégrante de l'invention, mais sont omis sur les installations purement aérobie ou purement anaérobie, les dispositifs spécifiques pour sous-marin permettant de passer du fonctionnement aérobie à celui anaérobie et vice versa; aiguillage à l'admission du ou des compresseurs d'entrée; sectionnements des évacuations des excès gazeux; accouplement-désaccouplement des compresseurs; aiguillage de l'extraction gazeuse du condenseur vers une soufflante ou recyclage vers le compresseur d'entrée; régulation de la dilution et des débits relatifs de carburant, d'oxydant, de fluide de travail. Doivent être présents les éléments constitutifs usuels: pompes d'extraction, de circulation et d'injection des divers fluides, dispositifs auxiliaires tels que dégazeur et régulateur de pression du fluide. Peuvent être réalisés suivant divers procédés connus: le compresseur d'entrée et son entraînement; la ou les turbines; une resurchauffe; le réchauffage du carburant et de l'oxygène; l'évacuation liquide et gazeuse à basse et haute pression. Lorsque le gaz de dilution est le bioxyde de carbone produit par la combustion, un gaz monoatomique, comme de l'argon, peut être ajouté si nécessaire de façon à conserver au gaz de dilution des caractéristiques thermodynamiques équivalentes dans le fonctionnement aérobie (dilution à l'azote diatomique) et anaérobie (dilution au bioxyde de carbone triatomique) selon les procédés déjà connus. Dans la réalisation représentée schématiquement à titre d'exemple en figure 1, pour sous- marin car les dispositifs de commutation entre le fonctionnement aérobie et anaérobie sont présents, de l'eau est utilisée comme fluide de travail. Le fluide gazeux de dilution est l'azote de l'air en mode aérobie et le bioxyde de carbone produit par la combustion en mode anaérobie. Le dopage par un gaz monoatomique (argon) n'est pas représenté. Un compresseur 1 permet, dans le fonctionnement aérobie, l'admission de l'air sous pression sous forme gazeuse dans la chambre de combustion 2 tandis que dans le fonctionnement anaérobie il recycle le bioxyde de carbone, produit par la combustion, en gardant le même taux de dilution. L'oxygène qui substitue l'air dans le fonctionnement anaérobie est injecté sous pression en 4 sous forme liquide ou gazeuse. Le carburant est injecté sous forme liquide en 3 dans la chambre de combustion 2, o il brûle dans l'oxygène présent, et l'eau est injectée en 5. Le fluide de travail, l'ensemble des produits de combustion et de dilution, vapeur, azote, bioxyde de carbone et gaz rares présents ou ajoutés, y sont portés à haute température. Cet ensemble gazeux actionne par détente une turbine 6, unique dans cet exemple, qui fournit l'énergie mécanique recherchée et entraîne le compresseur 1. La sortie de la turbine est dirigée vers un condenseur 8 dans lequel est maintenu, par refroidissement à l'eau de mer, une basse température et une basse pression, mais avant d'atteindre ce condenseur, les gaz encore chauds cèdent une grande partie de leur énergie thermique dans un échangeur de chaleur 7 qui échauffe le fluide de travail entre la sortie du condenseur et l'injection dans la chambre de combustion. L'eau est maintenue sous pression par des pompes d'extraction et de circulation 9 pour éviter son évaporation dans l'échangeur, o la pression peut éventuellement être montée au dessus de la pression critique, et une cloche sert à réguler la pression du circuit liquide. L'eau en excès après condensation et séparation est rejetée par une pompe 11. Les gaz non condensés, c'est à dire du bioxyde de carbone et l'azote de l'air ou du bioxyde de carbone et un gaz de dopage éventuel, sont extraits du condenseur et envoyés vers une soufflante 12 si l'échappement est aérien ou vers le compresseur d'entrée 1. Un by- pass sectionnable 14 en élimine l'excès, avec un échappement sous-marin sous pression 13. Pour permettre le passage du fonctionnement aérobie à celui anaérobie et vice versa, des boisseaux 15 et 16 réalisent les aiguillages de l'extraction gazeuse du condenseur et de l'admission du compresseur. Il n'est pas utilisé dans cet exemple de second compresseur pour relever davantage la pression d'évacuation des excès gazeux. L'originalité du procédé décrit réside dans la symbiose entre les techniques, utilisées jusqu'à présent séparément, des turbines à gaz et celles des turbines à vapeur. Le réglage adopté pour les températures et les pressions rend techniquement viable ce système conçu initialement comme "moteur unique" pour sous-marin. Bien que d'autres fluides puissent être employés, cette turbine fonctionnera à la vapeur d'eau diluée dans l'azote de l'air et le bioxyde de carbone. Un carburant hydrocarboné fournira naturellement le bioxyde de carbone nécessaire tandis qu'avec l'hydrogène pur il sera choisi entre l'azote ou le bioxyde de carbone, tout deux aisément obtenus. C'est pour faciliter la réalisation du compresseur d'entrée, que la combustion est faite sous pression modérée; elle est du même ordre de grandeur que celle réalisable pour les turbines à gaz, soit de 15 à 25 bars à la date de cette invention. Pour permettre de rejoindre un rendement acceptable malgré une pression nettement plus faible que dans une turbine à vapeur classique, la température à l'entrée de la turbine est montée à une valeur anormalement élevée pour une turbine à vapeur, mais normale pour une turbine à gaz, valeur limitée par la tenue des aubages de tête de la turbine à environ 1200 oC à la date de cette invention. C'est la combustion interne qui permet cette haute température en autorisant le montage direct de la sortie de la chambre de combustion -ou de la resurchauffe- sur l'étage d'entrée de la turbine. La pression modérée de fonctionnement et la haute température engendre une température de sortie de turbine élevée: c'est ce qui rend possible la récupération de chaleur, avant d'atteindre le début de la condensation, chose normalement impossible dans une turbine à vapeur non supercritique. L'échangeur de chaleur gaz-liquide est original car il empruntera aux appareils évaporateurs des machines à vapeur la technique de chauffe d'un liquide par des gaz qui sont ici issus de la turbine, et à celle des chaufferies nucléaires la surpressurisation qui évite le fonctionnement en évaporateur. Il a une certaine ressemblance avec les échangeurs de chaleur des turbines supercritiques mais le plus grand écart de pression entre ses deux voies imposera une réalisation différente (de plus la condensation ne s'y produira pas). Les valeurs utilisées pour la voie haute pression seront de l'ordre de 250 à 300 C avec une pression de l'ordre de 40 à 80 bars dans une réalisation économique de rendement moyen; elles seront de l'ordre de 300 à 400 C, avec des pressions supercritiques de 220 à 300 bars dans une réalisation techniquement plus élaborée, à très haut rendement avec resurchauffe; quant à elle, la voie basse pression reste aux environs de 0,5 à 2 bars. Enfin la dilution de la vapeur dans l'azote de l'air ou dans le bioxyde de carbone recyclé (éventuellement dopé à l'argon) dans la chambre de combustion, outre qu'elle en améliore la tenue thermique, augmente considérablement le rendement en supprimant les pertes des appareils évaporateurs et en permettant une plus importante récupération de chaleur dans l'échangeur de chaleur, surtout lorsqu'une resurchauffe est utilisée, rendant cette turbine attrayante pour toute application. Revendications 1. Machine thermique à cycle semi-fermé avec récupération de chaleur, ayant pour principe la détente dans une turbine 6 d'un fluide de travail condensable, vaporisé par injection 4 dans une chambre de combustion 2 (source chaude) au milieu des gaz produits par la combustion d'un carburant dans de l'oxygène dilué dans un fluide gazeux non condensable, le dit fluide de travail recirculant après condensation dans un condenseur 8 (source froide) et après rejet des produits de combustion, dont l'excès de liquide par la pompe 11 ou une dérivation après la pompe de recirculation 9; caractérisé par un échangeur 7 transférant de la chaleur depuis le fluide de travail, les produits de combustion à basse pression en phase gazeuse et le fluide gazeux de dilution, en sortie de turbine et avant condensation, vers le fluide de travail condensé, recirculant au moyen de la pompe 9 et du régulateur 10 sous phase liquide surpressurisée ou phase fluide supercritique, après extraction du condenseur 8. 2. Procédé selon la revendication 1 utilisant de l'eau comme fluide de travail condensable, caractérisé par un compresseur 1 amenant sous pression l'air frais nécessaire à la dilution et à la combustion d'un carburant 3 injecté dans la chambre de combustion 2 et par une extraction à la sortie du condenseur 8 des gaz non condensés et leur rejet à basse pression par une soufflante 12. 3. Procédé selon la revendication 1 utilisant de l'eau comme fluide de travail condensable et un fluide de dilution gazeux, produit ou non par la combustion, dans lequel de l'oxygène pur 4 est injecté dans la chambre de combustion 2 en quantité nécessaire à la combustion d'un carburant 3, caractérisé par l'aspiration des gaz non condensables dans le condenseur 8 par le compresseur I et par le rejet partiel à haute pression vers l'extérieur 13 lorsque la combustion produit un excès de ces gaz. 4. Procédé selon les revendications 2 et 3, caractérisé par l'aiguillage 15 en amont du compresseur 1, permettant de choisir l'admission dans la chambre de combustion 2 de l'air frais nécessaire ou le recyclage des gaz de dilution non condensables et l'injection 4 d'oxygène sous forme liquide ou gazeuse; par l'aiguillage 16 en sortie d'extraction du condenseur vers l'expulsion à basse pression 12 ou le recyclage des gaz non condensés, par le sectionnement du by-pass 14 de l'échappement à haute pression lorsque la combustion produit un excès de ces gaz.