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Procédé et installations de transformation de la chaleur en force motrice.
On sait que le cycle de fonctionnement des installa- tions de force motrice à gaz chauds s'accomplit en comprimant d'abord le fluide moteur, en préchauffant le fluide moteur comprimé par échange de chaleur (échange de chaleur principale avec les gaz détendus,en le chauffant à la température ma- ximum du cycle, en le détendant en fournissant du travail et en utilisant, ainsi Qu'il a été dit, les gaz détendus au préchauffage du fluide moteur comprimé, par échange de chaleur
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Par exemple, en cas de cycle fermé, les gaz. xxxxxx cèdent de la chaleur, une fois rechange de chaleur terminé, pour subir ensuite une nouvelle compression.
Le problème à résoudre suivant l'invention consiste à diminuer la perte de chaleur résultant du refroidissement et à augmenter ainsi le rendement.
Cn résout ce problème suivant l'invention en préle- vant au moins une portion du fluide moteur détendu avant que la compression soit terminée, en la comprimant séparément et en la remélangeant avec la portion non prélevée, une fois comprimée.
On procède généralement en remél&ngeant la portion prélevée comprimée séparément avec l'autre portion au cours de son préchauffage.
Le prélèvement peut s'effectuer avant que la totali- té de la chaleur soit cédée. On peut aussi effectuer le prélèvement une fois la totalité de la chaleur cédée et avant le commencement de la compression, faire détendre la portion prélevée, l'utiliser au refroidissement de la quantité totale du fluide moteur en circulation, la comprimer séparément et la remélanger ensuite avec l'autre portion, une fois compri- mée.
Enfin, une autre forme de réalisation du procédé consiste à effectuer le prélèvement au cours de la compres - sion, à préchauffer la portion prélevée partiellement compri- mée à l'aide de la quantité totale du fluide moteur en cir- culation détendu et ayant déjà servi à l'échange de chaleur principal; à la comprimer et à la remélanger avec l'autre portion comprimée.
Pour réaliser le procédé, on comprime par exemple de l'acide carbonique, en partant d'une température de 25OC2 par exemple en partant du point d'intersection de l'isotherme
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de 25 C avec la courbe limite du côté gauche, d'une pression d'environ 65,6 kg/cm à 200 kg/cm . Cette compression provo- que l'élévation de la température de l'acide carbonique à 47 C environ, puis on fait subir un préchauffage à l'acide carbonique ainsi comprimé, par un échange de chaleur décrit plus loin et par un apport de chaleur supplémentaire, on lui fait prendre la température maximum du cycle, par exemple de 600 C. La machine motrice, par exemple une turbine, est actionnée par cet acide carbonique gazeux à haute pression et surchauffé.
Les gaz détendus qui s'échappent de la turbi- ne servent à préchauffer, par échange de chaleur, l'acide carbonique comprimé, ainsi qu'il a été dit ci-dessus. Puis, pendant que, suivant le cycle connu, les gaz sortant de l'é- changeur de chaleur se refroidissent, pour subir ensuite une nouvelle compression dans le circuit, on partage les gaz, par exemple à leur sortie de l'échangeur de chaleur, suivant le procédé de l'invention, c'est-à-dire qu'on en prélève une portion.
On prélève par exemple 40% de la quantité totale en circulation et on comprime cette portion séparément pour faire revenir ensuite dans le circuit principal les gaz pré- levés comprimés séparément, c'est-à-dire les remélanger avec l'autre portion comprimée, qui a antérieurement cédé de la chaleur, préchauffer davantage les deux portions par échange de chaleur avec les gaz détendus, les surchauffer- et les faire détendre de nouveau, etc.
Dans ce cas, on fait revenir dans le circuit princi- pal la portion de gaz prélevée, comprimée en parallèle, au cours de son préchauffage, par échange de chaleur.
On peut aussi partager la totalité du fluide moteur -avant sa sortie de l'échangeur de chaleur, c'est-à-dire en prélever une portion et la comprimer séparément.
D'autre part, il serait également possible de préle- ver la portion du fluide moteur, non pas avant mais pen- dant qu'il cède de la chaleur.
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Une forme de réalisation spéciale consiste à soustraire la chaleur au fluide moteur, qui peut se trouver à l'état d'agrégat gazeux en partie liquide ou liquide, comme dans le cycle connu, et à n'effectuer le prélèvement qu'avant la compression. Dans ce cas, la portion non pré- levée subit une compression d'une manière connue, un préchauf fage par échange de chaleur, une surchauffe, une détente, etc, pendant que la. portion prélevée se détend d'abord. Le froid ainsi obtenu sert en mme temps à refroidira la quanti- té totale du fluide moteur en circulation, c'est-à-dire l'acide carbonique dans le cas présent, la portion prélevée subit ensuite une compression et revient dans le circuit principal de la manière indiquée ci-dessus.
Du fait de la chaleur soustraite à la totalité du fluide moteur en circulation à l'aide de la portion prélé- vée détendue, celle-ci absorbe de la chaleur qui revient dans le circuit principal et par suite doit être retranchée de la quantité totale de chaleur perdue, de sorte que la chaleur à soustraire est réduite.
Une autre forme de réalisation consiste à effectuer le prélèvement au cours de la compression du fluide moteur, c'est-à-dire de l'acide carbonique dans le cas présent.
Après avoir enlevé la chaleur du fluide moteur, on le compri me d'abord en partie, et on effectue alors le prélèvement d'une partie dudit fluide, par exemple de 40%. On comprime davantage l'autre portion jusqu'à la pression finale du cycle, on la préchauffe, la surchauffe, on la fait détendre, ainsi qu'il est décrit ci-dessus, etc. La portion prélevée, comprimée en partie, subit un préchauffage. Etant donné que cette portion comprimée en partie est à une température plus basse que la portion non prélevée, complètement.com- primée, qui subit un préchauffage par échange de chaleur, il est possible d'utiliser une portion de la chaleur de la
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quantité totale des gaz sortant de l'échangeur de chaleur principal au préchauffage de cette portion prélevée et compri- mée en partie.
Dans ces conditions, la quantité de chaleur des gaz détendus sortant de la machine motrice est mieux utilisée que lorsqu'elle n'est utilisée que dans l'échangeur de chaleur principal. Cette utilisation supplémentaire de la chaleur des gaz constitue le gain de cette forme de réa- 'lisation du procédé, qui résulte du fait que la chaleur sous- traite à la quantité totale du fluide moteur en circulation et perdue est moindre.
Bien entendu, il est possible dans toutes les formes de réalisation du procédé décrites ci-dessus d'effectuer la détente fournissant du travail par échelons, de réchauffer le fluide moteur entre ces échelons, puis d'effectuer la compression d'au moins une des portions par échelons , de soustraire de la chaleur à cette portion entre les échelons et de l'amener en contact avec le fluide de refroidissement, c'est à dire la faire échapper à l'extérieur, ou de l'utili- ser par échange de chaleur au préchauffage du fluide moteur comprimé et d'effectuer non seulement un prélèvement, mais plusieurs. Il en résulte, dans tous les cas, que la diminu- tion en pour cent de la quantité de chaleur à soustraire pendant le cycle est plus grande que la diminution en pour cent de la quantité de chaleur à fournir pendant le cycle.
L'invention concerne en outre un procédé de trans- formation de la chaleur en force motrice au moyen d'un fluide moteur qui subit dans un circuit principal une compression, un apport de chaleur en échange de chaleur et de l'extérieur, une détente fournissant du travail, une soustraction de cha- leur en échange de chaleur et vers l'extérieur jusqu'à l'état initial de la compression, l'échange de chaleur s'effectuant entre des portions détendues et comprimées du fluide moteur.
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L'invention est caractérisée en ce que, en appliquant un fluide moteur dont la température critique est comprise entre 260 et 6200 Kelvin, ainsi qu'en choisissant la nature de ce fluide et en accomplissant le cycle, une partie au moins de la période pendant laquelle la quantité de chaleur à soustraire définitivement au fluide moteur pendant son cycle principal lui est soustraite et pendant laquelle il se comprime et reçoit au moins la première partie de la quan- tité de chaleur qui doit lui être cédée, est comprise , au moins lorsque la puissance débitée est normale, dans une gamme d'états renfermant le point critique et dans laquelle les températures Kelvin sont égales au moins à 0,95 fois et au plus 1,1 fois la température- critique et sont inférieu- res à la température maximum du cycle principal,
et dans laquelle les pressions absolues sont égales au moins à la pression de vaporisation correspondant à 0,95 fois la tempé- ratire critique et au plus à10 fois la pression critique pour "corriger" l'échange de chaleur, et après détente du fluide moteur à la pression la plus basse du cycle principal et avant le commencement de l'arrivée de la chaleur de l'extérieur, on dérive au moins une fois une portion du fluide moteur du circuit principal, on lui fait reprendre finalement par un traitement séparé la pression des portions du fluide moteur comprimées dans le circuit principal, et on la réunit avec ces dernières portions en un point où la température de ces portions du fluide moteur est sensible- ment égale à la température finale atteinte par la portion dérivée.
L'invention concerne encore une installation thermo- motrice convenant à l'application du procédé suivant l'in- vention, qui consiste en principe en au moins un appareil de chauffage qui transmet au fluide moteur comprimé la chai#
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à faire arriver de l'extérieur dans son circuit principal, au moins un dispositif de détente dans lequel le fluide moteur comprimé et chauffé se dëtend en fournissant du tra- vail, au moins un échangeur de chaleur qui soustrait de la chaleur aux portions détendues du fluide moteur et la trans- met aux portions comprimées du fluide moteur, au moins un réfrigérant qui soustrait au fluide moteur la quantité de chaleur qui doit être soustraite définitivement à son circui: principale et au moins un compresseur'.
Cette installation thermo-motrice est caractérisée en ce qu'elle comporte au moins un dispositif supplémentaire qui, une fois le fluide moteur détendu à la pression la plus basse du circuit prin- cipal et avant le commencement de l'arrivée de la chaleur de l'extérieur, dérive une portion du fluide moteur du cir-- cuit principal, lui fait prendre finalement par un traite- ment séparé la pression des portions du fluide moteur com- primées dans le circuit principal, et la réunit avec des dernières portions en un point où la tempérsture de ces por- tions du fluide moteur est sensiblement égale à la tempéra- ture finale atteinte par la portion dérivée.
Le principe de l'invention, le procédé suivant l'in- vention et l'installation thermo-motrice convenant à l'appli-= cation du procédé suivant l'invention sont décrits en détail ci-après à l'aide d'exemples de réalisation. A cet effet, les figures 1, 3, 5, 7, 9, 11 des dessins ci-joints représentent sous forme de diagrammes T/S (température/entropie) des exemples de réalisation du procédé suivant l'invention et les figures 2, 4, 6, 8, 10, 12 représentent sous forme schémati- que des exemples de réalisation de l'installation thermo- motrice, l'exemple de la figure 2 convenant à l'application du cycle de la figure 1, celui de la figure 4 à l'application du cycle de la figure 3, et ainsi de suite.
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Toutes les figures 1 à 12 comportent un cycle princi- pal suivant lequel le fluide moteur passe en principe par les états représentés par les points 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1 des diagrammes T/S.
Les portions comprimées du fluide moteur reçoivent, suivant la courbe 1-2, la quantité de chaleur Qui doit être cédée par l'extérieur -au cycle principal ainsi que l'indiquen les flèches dirigées vers cete courbe. Cette chaleur peut provenir d'une source quelconque. Elle peut être dégagée par exemple à la température existante la plus élevée, puis avant ou pendant qu'elle est transmise au fluide moteur du circuit principal sa température peut être abaissée à la valeur admissible .pour les matériaux à envisager pour obtenir du travail. Elle peut aussi avoir la température qui convient à sa source par exemple lorsqu'elle provient d'un fluide mo- teur d'un autre cycle ou consiste en un véhicule de chaleur à une température admissible (par exemple le gaz naturel chaud, l'eau chaude provenant du sol).
La source de chaleur choisie à titre d'exemple dans les représentations schématiques, consiste en un simple appareil de chauffage 8, chauffé par un foyer 7, qui peut être équipé avec un récupérateur 9, et un ventilateur aspirant de tirage 10.
Le fluide se détend suivant la courbe 2-3 en four- nissant du travail au moyen d'un dispositif de détente qui, dans les exemples schématiques choisis, est une turbine 11.
La détente à un étage peut être remplacée d'une manière con- nue par une détente à plusieurs étages, avec réchauffages Intermédiaires.
La chaleur est soustraite par échange de chaleur suivant la courbe 3-4.
La chaleur à soustraire par l'extérieur et par suite définitivement du cycle principal, est soustraite suivant
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la courbe 4-5, ainsi que l'indiquent les flèches s'éloignant de cette courbe, par exemple par un réfrigérant 12. L'état initial de la compression est atteint au point 5.
La compression s'effectue suivant la courbe 5-6 au moyen de compresseurs 13 (qui peuvent aussi être des pom- pes). La compression peut s'effectuer en plusieurs étages.
Le point 6 indique la fin de la compression.
Le fluide reçoit de la chaleur par échange de chaleur suivant la courbe 6-1.
Le cycle principal se ferme au point 1.
Le fluide moteur employé dans tous les exemples de réalisation a une température critique comprise entre 260 et 6200 Kelvin et il est choisi et on accomplit le cycle de fa- çon à faire coïncider une partie au moins de la période pen- dant laquelle la quantité de chaleur qui doit être définiti- vement soustraite au fluide moteur pendant son cycle princi- pal lui est soustraite, et pendant laquelle il se comprime e:
reçoit au moins la première partie de la quantité de chaleur qui doit lui être cédée, au moins lorsque la puissance débi- tée est normale. avec celle pendant laquelle l'état du fluid- est compris dans un intervalle contenant le point critique e: dans lequel les températures Kelvin sont égales au moins à 0,95 fois et au plus à 1,1 fois la température critique et sont inférieures à la température maximum du cycle principal, et dans lequel les pressions absolues sont égales au moins à la pression de vaporisation correspondant à 0,95 fois la température critique et au plus à 10 fois la pression cri- tique.
Pour rendre ce qui précède facile à comprendre, on a porté sur tous les diagrammes T/S le point critique K du fluide moteur et on à tracé à une hauteur correspondant à 0,95 fois la température critique une isotherme 14 et à la hauteur correspondant à 1,1 fois la température critique,
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une isotherme 15. De plus on a tracé l'isobare 16 corres- pondant à la pression de vaporisation qui correspond à 0,95 fois la température critique et l'isobare 17 correspondant à 10 fois la pression critique, et on a hachuré la surface limitée par les isothermes 14 et 15 et les isobares 16 et 17 qui représente les états du fluide moteur et contient le point critique K.
A droite du point critique K on a tracé la courbe limite du côté droit 18 et à gauche la courbe limite du côté gauche 19 du fluide moteur, les diverses figures con- cernant généralement des fluides moteurs différents et par suite la forme des courbes limites étant différente.
Le choix du fluide moteur ainsi que le mode d'accom- plissement dû cycle dépendent de la nature du fluide de re- froidissement qui sert à soustraire de la chaleur suivant la courbe 4-5 du cycle principal. Ce fluide de refroidissement peut par exemple être aussi un fluide moteur d'un autre cycle dont la température varie s'il est gazeux pendant qu'il sous- trait de la chaleur, ou un véhicule de chaleur dont la tempo rature varie également. Cependant on a choisi dans les dia- grammes T/S de toutes les figures 1 à 12, à titre d'exemple, un fluide de refroidissement qui soustrait la chaleur au moins à peu près isothermiquement, c'est-à-dire un corps don on dispose en quantité abondante ou un corps qui se vaporise pendant qu'il soustrait la chaleur.
Sur toutes les figures schématiques 1 à 12 la machi- ne qui absorbe le travail utile de l'installation est, à ti- tre d'exemple, une génératrice électrique 20 qui, de môme qu les divers compresseurs, peut être commandée par le moteur 11 d'une manière quelconque.
Sur la figure 1, le fluide moteur est choisi et le cycle d'accomplit de façon à faire passer une partie de la
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courbe 6-1 dans la région hachurée des états du fluide moteur limitée par les droites 14, 15, 16 et 17. La ligne 4-5 passe en grande partie dans la région des états semi-liquides et par suite la quantité de chaleur à soustraire définitive- ment au cycle lui est soustraite en grande partie sous forme isothermique. La ligne 5-6 se trouve dans la région des état liquides et, par suite, le travail de compression est très faible et par conséquent les pertes du compresseur sont très faibles, alors que dans les cycles des turbines à gaz ces pertes ont pour effet de diminuer notablement le rendement.
C'est pourquoi le cycle principal de la figure 1 est parti- culièrement avantageux, s'il est possible en outre d'y faire arriver la totalité de la chaleur qui doit lui être fournie de l'extérieur suivant la ligne 1-2 c' est-à-dire dans la rég gion de la température maximum, d'obtenir aussi la chaleur qui doit être cédée suivant la courbe 6-1 par échange de chaleur à soustraire suivant la courbe 3-4 et enfin de réa- liser cet échange de chaleur avec aussi peu de perdes que possible.
Pour faire comprendre le moyen préconisé d'arriver à ce résultat, il convient de donner d'abord quelques détail- au sujet de cet échange de chaleur :
Soient Q la quantité de chaleur par unité de poids, S l'entropie, T la température Kelvin, cI' la chaleur spécifi que sous pression constante, dite, pour abrèges, chaleur spécifique. On a les équations différentielles connues : dQ = cp.dT et dS = dQ/dT d'où on tire : dT/âS = T/cp qui .s'exprime de la manière suivante: l'inclinaison de l'isc bare du diagramme T/S est directement proportionnelle à la
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température Kelvin et Inversement proportionnelle à la chale spécifique.
Suivant les figures 1 et 2 la chaleur soustraite par l'échangeur de chaleur 22 suivant l'isobare 3-21 est retrans- mise au cycle principal suivant l'isobare 23-1, comme l'indi- quent,les flèches. Cette transmission n'est accompagnée que d'une faible baisse de température résultant de la transmis- sion de la chaleur dans l'échangeur de chaleur et indiquée par l'inclinaison des lignes* limites en traits mixtes 3-1 et 21-23. Ainsi qu'il ressort de ce qui précède, on voit d'a- près l'inclinaison des portions d'isobares que les chaleurs spécifiques des éléments participant à l'échange de chaleur, c'est-à-dire des portions du fluide moteur qui suivent d'une part la ligne 3-21 et d'autre part la ligne 23-1,
sont suf- fisamment égales dans toutes les sections de l'échangeur de chaleur 22, de sorte que la quantité de chaleur cédée par un des éléments par degré d'abaissement de température est suf- fisamment égale à celle qui est absorbée par l'autre élément par degré d'élévation de température. L,échange de chaleur qui s'effectue suivant ces portions d'isobares 3-21 et 23-1 est donc réalisé sans perte. Mais cette situation se modifie suivantles portions d'isobares 2l-4 et 6-23. Au voisinage du point 6 il résulte de l'inclinaison de la ligne 6-23 que la chaleur spécifique est encore sensiblement la même que celle de la ligne 21-4 au voisinage du point 4.
Mais la ligne 6-23 commence ensuite à prendre une forme plus aplatie, c'est-à- dire que la chaleur spécifique commence à devenir supérieure, à une température correspondante, à celle de la ligne 21-4, puis l'inclinaison de la ligne 6-23 augmentant de nouveau, on retrouve finalement la même égalité approximative au voisi- nage des points respectifs 23 et 21. Il en résulte que ni en partie ni en totalité, la quantité de chaleur nécessaire
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suivant la ligne 6-23 ne pourrait être fournie par la quan- tité de chaleur soustraite suivant la ligne 21-4.
Le point 23 et par suite le point 1 ne pourraient donc jamais occuper la position dans laquelle ils sont représentés et viendraient dans une position sensiblement plus basse sur. la ligne 6-2, en augmentant ainsi d'une manière fâcheuse la chute de tempé- rature de l'échange de chaleur (par exemple entre les points 3 et 1 ainsi qu'entre les points 21 et 23).
Pour "corriger" cet échange de chaleur qui ne s'effectue plus sans perte, on dérive en un point, qui est le point 4 sur la figure 1, c'est-à-dire à une grande distant avant le point 6 qui indique la fin de la compression, une portion du fluide moteur du cycle principal en le prélevant par une dérivation 24 dans l'échangeur de chaleur 25 qui effectue l'échange de chaleur entre les lignes 21-4 et 6-23, on lui fait prendre par une compression dans le compresseur 26 suivant la ligne 4-23 une pression égale à celle des portions du fluide moteur comprimées dans le cycle principal, et on la réunit avec ces dernières portions en un point où la température de ces portions du fluide moteur est au moins approximativement égale à celle qui est atteinte par la por- tion dérivée. Sur la figure 1 ce point est le point 23 et su la figure 2 l'orifice 27.
Il en résulte qu'on fait ainsi cir- culer dans la partie supérieure du circuit principal 23-1-2- 3-21-4 une quantité de fluide moteur plus grande que dans la partie inférieure 4-5-6-23 cette augmentation étant re- présentée par la quantité du fluide dérivée. On compense ainsi la différence en plus entre les chaleurs spécifiques de la ligne 6-23 et à celles de la ligne 21-4, en diminuant le débit par seconde du fluide moteur suivant la ligne 6-23 par rapport à son débit suivant la ligne 2l-4 et on "corrige" ainsi globalement l'échange de chaleur du fait
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que la quantité de chaleur soustraite suivant la ligne 21-4 devient au moins approximativement égale à la quantité de chaleur fournie suivant la ligne 6-23.
Outre cette "correction globale", il convient aussi d'effectuer des "corrections de détail", qui seront décrites à propos des autres exemples donnés plus loin.
Mais il est important, d'une manière tout à fait générale, pour corriger l'échange de chaleur, de choisir le fluide moteur et d'accomplir le cycle de façon que la portion d'isobare 6-23 se trouve au-dessus ou à l'extrême rigueur (en formant uneisotherme de vaporisation de courte longueur) légèrement au-dessous du point critique K, ce qui résulte di rectement des indi cations.; données au sujet de l'établisse ment de la région contenant le point critique K et limitée par les lignes 14, 15, 16 et 17.
En effet si:. la ligne 6-23 était à une hauteur moindre, elle contiendrait une isotherme devaprotisation relativement longue et par suite l'élément ab sorbant de la chaleur suivant cette ligne recevrait une por- tion relativement grande de la quantité de chaleur, lorsque la chaleur spécifique est infinie, tandis .que l'élément @ cédant de la chaleur suivant la ligne 21-4 "serait à l'état de vapeur et par suite n'aurait qu'une chaleur spécifique finie. ;,lais un échange de chaleur de cette nature ne peut être corrigé que théoriquement par une compression à nombre d'étages infini avec un nombre également infini de transmis- sions de chaleur intermédiaires, mais non dans la pratique.
En effet, les machines et appareils à très grand nombre d'é- tages, nécessaires à cette réalisation dans la pratique, son' non seulement coûteux, volumineux et compliqués, mais encore ils donnent lieu eux-mêmes à des pertes supplémentaires, qui à pertir d'un certain nombre d'étages deviennent si considé- rables que l'amélioration à escompter théoriquement est ré- duite à néant ou même plus que compensée.
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Les exemples de réalisation des figures 3 et 4 com- portent une "correction de détail" supplémentaire. Ils com- portent un double prélèvement partiel, la première fois au point 28 au moyen d'une dérivation 29, la (Quantité partielle étant comprimée par le compresseur 31 suivant la ligne 28-30 et réintroduite dans le circuit principal au point 30 par un orifice 32. Le second prélèvement d'une quantité partielle (qui doit être en général différente de la première) s'effec- tue en un point qui,sur la figure 3,est le point 4, au moyen d'une dérivation qui se trouve au point 33 sur la figure 4, cette portion du fluide moteur étant comprimée par un compres seur 35 suivant la ligne 4-34 et réintroduite dans le circuit principal au point 34 par l'orifice 36.
L'échange de chaleur entre les portions d'isobares 3-38 et 30-1 s'effectue dans l'échangeur de chaleur 37, entre les portions 38-40 et 34-30 dans l'échangeur de chaleur 39 et entre les portions 40-4 et 6-34 dans l'échangeur de chaleur 41.
Il en résulte que la correction de l'échange de chaleur ne s'effectue pas, comme dans le cas de la figure 1, seulement à partir du point 34 qui correspond à peu près au point 23 de la figure 1, mais en supplément dès le point 30 vers le bas. Cette correction supplémentaire est particuliè- rement à recommander lorsque les chaleurs spécifiques du flui de moteur choisi prennent non plus à partir du point 34 sur la courbe, mais dès le point 30 en descendant des valeurs exagérément plus grandes que celles du fluide moteur aux températures correspondantes suivant la portion d'isobares 3-4.
Il résulte de cette double correction que, d'une part, seule la portion 38-28 du cycle est parcourue par la totalité du fluide moteur, la portion 28-4 par cette quantité diminuée de la première quantité prélevée et d'autre part la portion 6-34 par cette quantité diminuée des deux portions prélevées, et la portion 34-30 par cette quantité diminuée seulement de
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la première portion prélevée. La "correction globale" de rechange de chaleur qui s'effectue entre les portions d'isobares 38-4 et 6-30 est donc complétée par une "correc- tion de détail".
Dans les exemples de réalisation des figures 5 et 6, une portion du fluide moteur est prélevée au point 42, c'est à-dire encore loin du point 6 qui caractérise la fin de la compression, au moyen d'une dérivation 43 dans le circuit principalepuis subit une compression intermédiaire dans un compresseur 45 suivant la portion 4-44, puis une nouvelle compression dans un compresseur 48 suivant la portion 46-47 et enfin une compression suivant la portion 49-50 dans un compresseur 51 qui lui fait prendre la pression des portions du fluide moteur comprimées dans le circuit principal et se remélange avec cas dernières portions au point 50 au moyen d'un orifice 52.
Les échanges de chaleur s'effectuent ainsi de la manière suivante :
L'échangeur de chaleur 53 soustrait de la ch.aleur suivant la portion de courbe 3-54 à la totalité du fluide moteur, et la transmet également à la totalité du fluide moteur suivant la ligne 55-1. Cet échange de chaleur n'a pas besoin de correction, étant donné que les chaleurs spécifi- ques suivant les lignes 55-1 et 3-54 sont encore suffisamment égales.
Mais à partie du point 55 en descendant,la correction s'effectue globalement et en détail de la manière suivante:
L'échangeur de chaleur 56 soustrait de la chaleur suivant la ligne 54-57 à la totalité du fluide moteur et en outre suivant la ligne 44-58 à la portion prélevée et transmet ces deux quantités de chaleur ensemble suivant la ligne 50-55 à la totalité du fluide moteur. Cette "correction
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tient compte du fait que les chaleurs spécifiques sont déjà sensiblement plus grandes quivant la ligne 50-55 que suivant la ligne 54-57.
Les chaleurs spécifiques sont encore plus grandes sur la ligne 59-50 et pour corriger cet échange de chaleur, l'échangeur de chaleur 6, .soustrait de la chaleur suivant la ligne 57-61 à-la totalité du fluide moteur, puis suivant la ligne 58-46 et suivant la ligne 47-49, à la portion préle- vée du fluide moteur et transmet ces trois quantités de cha- leur ensemble suivant la ligne 59-50 à la totalité du fluide moteur diminuée de la portion prélevée.
L'échangeur de chaleur 62 soustrait de la chaleur suivant la ligne 61-42 à la totalité du fluide moteur et la transmet suivant la ligne 63-59 au fluide moteur diminué de la portion prélevée.
Enfin, l'échangeur de chaleur 64 soustrait de la chaleur suivant la ligne 42-4 au fluide moteur diminué de la portion prélevée, et la transmet suivant la ligne 6-63 à la quantité du fluide moteur également diminuée de la portion prélevée.
Dans les exemples de réalisation des figures 7 et 8, une fraction du fluide moteur est dérivée du circuit princi- pal au point 65, c'est-à-dire avant le point 6 qui caracté- rise la fin de la compression, au moyen de la dérivation 66, puis est comprimée par un compresseur 68, une première fois suivant la ligne 65-67 et par un compresseur 71, une seconde fois, suivant la ligne 69-70 en lui faisant ainsi prendre la pression des portions du fluide moteur comprimé dans le circuit principal, et en la remélangeant au point 70 avec ces dernières portions au moyen de l'orifice 72;
Les échanges de chaleur s'effectuent ainsi de la manière suivante:
L'échangeur de chaleur 73 soustrait de la chaleur suivant la ligne 3-74 à la totalité du fluide moteur et la
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transmet suivant la ligne 70-1 également à la totalité du fluide moteur.
L'échangeur de chaleur 75 soustrait de la chaleur à la totalité du fluide moteur suivant la ligne 74-76 et la transmet suivant la ligne 6-70 au fluide moteur diminué de la portion prélevée.
L'échangeur de chaleur 77 soustrait de la chaleur à la totalité du fluide moteur suivant la ligne 76-4 et la transmet suivant la ligne 67-78-69 à la portion prélevée. Il en résulte que la fraction prélevée se vaporise définitivement suivant la ligne 67-78 et se surchauffe suivant la ligne 78-69.
Dans les exemples de réalisation des figures 9 et 10, la compression s'effectue à deux étages dans le circuit prin- cipal,à savoir: une première fois suivant la ligne 5-79 par un compresseur 13a, et une seconde fois suivant la ligne 79-6 par un compresseur 13b. Une fraction est prélevée entre ces deux étages au point 79, c'est-àdire avant le point 6, qui caractérise la fin de la compression, dans le circuit principal, au moyen de la dérivation 80, subit une compression suivant la ligne par le compresseur 83, qui lui fait prendre la pression des portions du fluide moteur comprimé dans le circuit principal, et se remélage avec ces dernières portions au point 82, au moyen d'un orifice 84.Les échanges de chaleur s'effectuent ainsi de la manière suivante :
L'échangeur de chaleur 85 soustrait de la chaleur suivant la ligne 3-86 à la totalité du fluide moteur et la transmet suivant la ligne 82-1 également à la totalité du fluide moteur.
L'échangeur de chaleur 87 soustrait de la chaleur suivant la ligne 86-88 à la totalité du fluide moteur et la
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transmet suivant la ligne 6-82 au fluide moteur diminué de la fraction prélevée.
L'échangeur de chaleur 89 soustrait de la chaleur suivant la ligne 88-4 à la totalité du fluide moteur et la transmet suivant la ligne 78-81 à la fraction prélevée.
Ainsi qu'on peut le voir, on choisit dans ce cas la nature du fluide moteur et on accomplit le cycle de façon que la portion 4-5-& de la courbe passe dans la région hachurée contenant le point critique K, mais que la portion 6-1 passe à une ;hauteur relativement grande au-dessus du point critique K. Il en résulte d'une part qu'une "correction globale" de l'échange de chaleur parait suffisante entre les portions 86-88 et 6-82, mais d'autre part que, étant donné que le point 6 est élevé, il faut également que le point 88 jusqu'auquel cet échange de chaleur peut s'effectuer, soit élevé et que par suite la soustraction de la quantité de cha- leur à soustraire définitivement, qui devrait commencer au point 88, devrait s'effectuer en partie avec une forte baisse de température nuisible.
Mais on peut remédier à cet incon- vénient en ne transmettant pas la chaleur suivant la ligne 88-4 au fluide de refroidissement, mais à la fraction préleva par échange de chaleur suivant la 1 igne 79-81, de sorte que la soustraction de la quantité de chaleur à soustraire défi- nitivement ne commence qu'au point 4 et par suite commence sous une chute de température sensiblement plus faible.
Dans les exemples de réalisation des figures 11 et 12 la fraction du fluide moteur est prélevée dans le circuit principal au point 90 au moyen d'une dérivation 91, se détend en fourbissant du travail au moyen de la turbine 93 suivant la ligne 90-92, est recomprimée suivant la ligne 94-95 au moyen d'un compresseur 96 à la pression des portions du finir?, moteur comprimées dans le circuit principal, et se remélange avec ce ¯dernières portions au point 95 au moyen de l'orifice
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97.
Les échanges de chaleur s'effectuent ainsi de la manière suivante :
L'échangeur de chaleur 98 soustrait de la chaleur suivant la ligne 3-99 à la totalité du fluide moteur et la transmet suivant la ligne 95-1 également à la totalité du fluide moteur."
L'échangeur de chaleur 100 soustrait de la chaleur suivant la ligne 99-101 à la totalité du fluide moteur et la transmet suivant la ligne 90-95 au fluide moteur diminué de la fraction prélevée.
L'échangeur de chaleur 102 soustrait de la chaleur suivant la ligne 101-103 à la totalité du fluide moteur et la transmet suivant la ligne 6-90 également à la totalité du fluide moteur.
L'échangeur de chaleur 104 soustrait de la chaleur suivant la ligne 103-4 à la totalité du fluide moteur et la transmet suivant la ligne 92-84 à la fraction prélevée.
Ainsi qu'on peut le voir, la correction de l'échange de chaleur s'effectue principalement suivant la ligne 90-95.
Vais il en résulte en outre Que le point 4 se trouve alors sur l'isotherme de condensation et que par suite, la totalité de la chaleur à soustraire définitivement au circuit princi- pal est soustraite isothermiquement.
REVENDICATIONS.
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Process and installations for converting heat into motive power.
It is known that the operating cycle of hot gas motive power plants is accomplished by first compressing the motive fluid, by preheating the compressed motive fluid by heat exchange (main heat exchange with the expanded gases, in heating it to the maximum temperature of the cycle, relaxing it by providing work and using, as has been said, the gases expanded in preheating the compressed working fluid, by heat exchange
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For example, in the case of a closed cycle, the gases. xxxxxx give up heat, once the heat change is complete, to then undergo a new compression.
The problem to be solved according to the invention consists in reducing the heat loss resulting from the cooling and thus increasing the efficiency.
This problem is solved according to the invention by taking at least a portion of the relaxed working fluid before the compression is complete, compressing it separately and remixing it with the non-withdrawn portion once compressed.
This is generally done by remél & ngeant the withdrawn portion compressed separately with the other portion during its preheating.
Sampling can be done before all of the heat is released. It is also possible to take the sample once all the heat has been released and before the compression begins, to relax the portion removed, use it to cool the total quantity of the circulating fluid, compress it separately and then re-mix it. with the other portion, once compressed.
Finally, another embodiment of the method consists in taking the sample during the compression, in preheating the partially compressed portion taken out with the aid of the total quantity of the fluid circulating relaxed and having already served as the main heat exchange; compressing it and remixing it with the other compressed portion.
To carry out the process, for example carbonic acid is compressed, starting from a temperature of 25OC2, for example starting from the point of intersection of the isotherm.
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of 25 C with the limit curve on the left side, from a pressure of about 65.6 kg / cm to 200 kg / cm. This compression causes the temperature of the carbonic acid to rise to approximately 47 ° C., then the carbonic acid thus compressed is subjected to preheating, by a heat exchange described below and by an additional heat input. , it is made to take the maximum temperature of the cycle, for example 600 C. The driving machine, for example a turbine, is actuated by this carbonic acid gas at high pressure and superheated.
The expanded gases which escape from the turbine serve to preheat, by heat exchange, the compressed carbonic acid, as has been said above. Then, while, according to the known cycle, the gases leaving the heat exchanger are cooled, to then undergo a new compression in the circuit, the gases are shared, for example at their exit from the heat exchanger. , according to the method of the invention, that is to say that a portion is taken.
For example, 40% of the total quantity in circulation is taken and this portion is compressed separately in order then to return the sampled gases compressed separately to the main circuit, that is to say to re-mix them with the other compressed portion, which has previously given up heat, further preheat the two portions by heat exchange with the expanded gases, superheat them and let them expand again, etc.
In this case, the portion of gas withdrawn, compressed in parallel, during its preheating, is returned to the main circuit by heat exchange.
It is also possible to share all of the working fluid before it leaves the heat exchanger, that is to say to take a portion of it and compress it separately.
On the other hand, it would also be possible to take the portion of the working fluid, not before but while it is giving up heat.
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A special embodiment consists in removing the heat from the driving fluid, which may be in the state of a gaseous aggregate, in part liquid or liquid, as in the known cycle, and in taking the sample only before compression. . In this case, the non-withdrawn portion undergoes compression in a known manner, preheating by heat exchange, overheating, expansion, etc., while the. portion taken relaxes first. The cold thus obtained is used at the same time to cool the total quantity of the circulating working fluid, that is to say carbonic acid in the present case, the portion withdrawn then undergoes compression and returns to the main circuit. as indicated above.
Due to the heat withdrawn from the totality of the circulating motive fluid using the expanded tapped portion, this absorbs heat which returns to the main circuit and therefore must be subtracted from the total quantity of waste heat, so that the heat to be removed is reduced.
Another embodiment consists in taking the sample during the compression of the working fluid, that is to say of carbonic acid in the present case.
After removing the heat from the working fluid, it is first partially compri me, and then a portion of said fluid is removed, for example 40%. The other portion is further compressed to the final pressure of the cycle, preheated, superheated, relaxed, as described above, etc. The portion removed, partially compressed, undergoes preheating. Since this partially compressed portion is at a lower temperature than the fully compressed, uncaptured portion which undergoes preheating by heat exchange, it is possible to utilize a portion of the heat from the
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total quantity of the gases leaving the main heat exchanger during preheating of this portion taken off and partially compressed.
Under these conditions, the amount of heat from the expanded gases leaving the prime mover is better utilized than when it is only used in the main heat exchanger. This additional use of the heat of the gases constitutes the gain of this form of process embodiment, which results in the fact that the heat subtracted from the total amount of working fluid circulating and lost is less.
Of course, it is possible in all the embodiments of the method described above to perform the expansion providing work in steps, to heat the working fluid between these steps, then to perform the compression of at least one of the steps. portions by steps, to subtract heat from this portion between the steps and to bring it into contact with the cooling fluid, that is to say to make it escape to the outside, or to use it by exchange of heat to preheat the compressed working fluid and to perform not only one sample, but several. As a result, in all cases, the percent decrease in the amount of heat to be removed during the cycle is greater than the percent decrease in the amount of heat to be supplied during the cycle.
The invention further relates to a method of transforming heat into motive force by means of a motive fluid which undergoes in a main circuit a compression, a supply of heat in exchange of heat and, from the outside, an expansion. providing work, a subtraction of heat in heat exchange and outward to the initial state of compression, the heat exchange taking place between relaxed and compressed portions of the working fluid.
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The invention is characterized in that, by applying a working fluid whose critical temperature is between 260 and 6200 Kelvin, as well as by choosing the nature of this fluid and by completing the cycle, at least part of the period during which the quantity of heat to be definitively withdrawn from the working fluid during its main cycle is subtracted from it and during which it compresses and receives at least the first part of the quantity of heat which must be transferred to it, is understood, at least when the power output is normal, in a range of states containing the critical point and in which the Kelvin temperatures are equal to at least 0.95 times and at most 1.1 times the critical temperature and are lower than the temperature maximum of the main cycle,
and in which the absolute pressures are at least equal to the vaporization pressure corresponding to 0.95 times the critical temperature and at most 10 times the critical pressure to "correct" the heat exchange, and after expansion of the working fluid at the lowest pressure of the main cycle and before the start of the arrival of heat from the outside, at least once a portion of the working fluid is derived from the main circuit, it is finally made to resume by a separate treatment the pressure of the portions of the working fluid compressed in the main circuit, and it is combined with these latter portions at a point where the temperature of these portions of the working fluid is substantially equal to the final temperature reached by the branched portion.
The invention also relates to a thermomotor installation suitable for the application of the method according to the invention, which in principle consists of at least one heating device which transmits the compressed working fluid to the cellar.
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to make arrive from the outside in its main circuit, at least one expansion device in which the compressed and heated working fluid expands while providing work, at least one heat exchanger which withdraws heat from the expanded portions of the motive fluid and transmits it to the compressed portions of the motive fluid, at least one refrigerant which withdraws from the motive fluid the quantity of heat which must be permanently withdrawn from its main circuit and at least one compressor '.
This thermal motor installation is characterized in that it comprises at least one additional device which, once the working fluid has been released to the lowest pressure of the main circuit and before the start of the arrival of heat from the main circuit. outside, derives a portion of the working fluid from the main circuit, causes it finally by a separate treatment to take the pressure of the portions of the working fluid compressed in the main circuit, and joins it with the last portions in a point where the temperature of these portions of the working fluid is substantially equal to the final temperature reached by the branch portion.
The principle of the invention, the process according to the invention and the thermal power plant suitable for the application of the process according to the invention are described in detail below with the aid of examples. of achievement. To this end, FIGS. 1, 3, 5, 7, 9, 11 of the accompanying drawings represent in the form of T / S diagrams (temperature / entropy) examples of embodiments of the method according to the invention and FIGS. 2, 4, 6, 8, 10, 12 show, in schematic form, examples of embodiments of the thermomotor installation, the example of FIG. 2 being suitable for the application of the cycle of FIG. 1, that of FIG. 4 to the application of the cycle of FIG. 3, and so on.
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All Figures 1 to 12 include a main cycle in which the working fluid in principle passes through the states represented by points 1, 2, 3, 4, 5, 6, 1 of the T / S diagrams.
The compressed portions of the working fluid receive, according to the curve 1-2, the quantity of heat which must be given up by the outside - to the main cycle as indicated by the arrows directed towards this curve. This heat can come from any source. It can be released for example at the highest existing temperature, then before or while it is transmitted to the working fluid of the main circuit, its temperature can be lowered to the admissible value. For the materials to be considered for obtaining work. It can also have the temperature which is suitable for its source, for example when it comes from a motor fluid from another cycle or consists of a heat vehicle at an admissible temperature (for example hot natural gas, hot water from the ground).
The heat source chosen by way of example in the schematic representations consists of a simple heater 8, heated by a hearth 7, which can be equipped with a recuperator 9, and a draft suction fan 10.
The fluid expands along curve 2-3, providing work by means of an expansion device which, in the schematic examples chosen, is a turbine 11.
The one-stage expansion can be replaced in a known manner by a multi-stage expansion, with Intermediate reheating.
The heat is subtracted by heat exchange following the curve 3-4.
The heat to be subtracted from the outside and therefore definitively from the main cycle, is subtracted according to
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curve 4-5, as indicated by the arrows moving away from this curve, for example by a refrigerant 12. The initial state of compression is reached at point 5.
Compression takes place along curve 5-6 by means of compressors 13 (which can also be pumps). The compression can be carried out in several stages.
Point 6 indicates the end of compression.
The fluid receives heat by heat exchange following curve 6-1.
The main cycle closes at point 1.
The motive fluid employed in all the exemplary embodiments has a critical temperature comprised between 260 and 6200 Kelvin and is chosen and the cycle is carried out so as to make at least part of the period during which the quantity of heat which must be definitively subtracted from the working fluid during its main cycle is subtracted from it, and during which it is compressed e:
receives at least the first part of the quantity of heat which must be transferred to it, at least when the output power is normal. with that during which the state of the fluid is included in an interval containing the critical point e: in which the Kelvin temperatures are equal to at least 0.95 times and at most 1.1 times the critical temperature and are less than the maximum temperature of the main cycle, and in which the absolute pressures are at least equal to the vaporization pressure corresponding to 0.95 times the critical temperature and at most 10 times the critical pressure.
To make the above easy to understand, we have plotted on all the T / S diagrams the critical point K of the driving fluid and we have plotted at a height corresponding to 0.95 times the critical temperature an isotherm 14 and at the corresponding height at 1.1 times the critical temperature,
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an isotherm 15. In addition, isobar 16 corresponding to the vaporization pressure which corresponds to 0.95 times the critical temperature and isobar 17 corresponding to 10 times the critical pressure has been plotted, and the surface has been hatched. limited by isotherms 14 and 15 and isobars 16 and 17 which represents the states of the working fluid and contains the critical point K.
To the right of the critical point K we have drawn the limit curve of the right side 18 and to the left the limit curve of the left side 19 of the working fluid, the various figures generally relating to different working fluids and therefore the shape of the limit curves being different.
The choice of motor fluid as well as the mode of completion of the cycle depend on the nature of the cooling fluid which is used to subtract heat according to curve 4-5 of the main cycle. This cooling fluid can for example also be a driving fluid of another cycle, the temperature of which varies if it is gaseous while it is subtracting heat, or a heat vehicle whose temperature also varies. However, we have chosen from the T / S diagrams of all Figures 1 to 12, by way of example, a cooling fluid which subtracts heat at least approximately isothermally, that is to say a body therefore one disposes in abundant quantity or a body which vaporizes while it withdraws heat.
In all the schematic figures 1 to 12 the machine which absorbs the useful work of the installation is, by way of example, an electric generator 20 which, like the various compressors, can be controlled by the motor. 11 in any way.
In Figure 1, the working fluid is selected and the cycle is accomplished so as to pass part of the
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curve 6-1 in the hatched region of the states of the working fluid limited by the straight lines 14, 15, 16 and 17. The line 4-5 passes largely in the region of the semi-liquid states and consequently the quantity of heat to definitively withdrawing from the cycle is largely withdrawn from it in isothermal form. Line 5-6 is in the region of liquid states and hence the compression work is very low and therefore the compressor losses are very low, while in gas turbine cycles these losses have the effect to significantly reduce the yield.
This is why the main cycle of figure 1 is particularly advantageous, if it is also possible to make arrive there all the heat which must be supplied to it from the outside along the line 1-2c 'that is to say in the region of the maximum temperature, to also obtain the heat which must be given up according to the curve 6-1 by heat exchange to be subtracted according to the curve 3-4 and finally to carry out this heat exchange with as little loss as possible.
To understand the recommended way to achieve this result, it is first necessary to give some details about this heat exchange:
Let Q be the quantity of heat per unit of weight, S the entropy, T the Kelvin temperature, cI 'the specific heat under constant pressure, called, for short, specific heat. We have the known differential equations: dQ = cp.dT and dS = dQ / dT from which we derive: dT / âS = T / cp which is expressed as follows: the inclination of the isk bare of T / S diagram is directly proportional to the
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Kelvin temperature and inversely proportional to the specific heat.
According to Figures 1 and 2 the heat subtracted by the heat exchanger 22 according to isobar 3-21 is retransmitted to the main cycle according to isobar 23-1, as indicated by the arrows. This transmission is accompanied only by a slight drop in temperature resulting from the transmission of heat through the heat exchanger and indicated by the inclination of the dashed line * limits 3-1 and 21-23. As emerges from the foregoing, we see closely the inclination of the portions of isobars that the specific heats of the elements participating in the heat exchange, that is to say of the portions of the fluid motor which follow on the one hand line 3-21 and on the other hand line 23-1,
are sufficiently equal in all the sections of the heat exchanger 22, so that the quantity of heat given up by one of the elements per degree of temperature drop is sufficiently equal to that absorbed by the other element by degree of temperature rise. The heat exchange which takes place along these portions of isobars 3-21 and 23-1 is therefore achieved without loss. But this situation changes according to the portions of isobars 2l-4 and 6-23. In the vicinity of point 6 it follows from the inclination of line 6-23 that the specific heat is still substantially the same as that of line 21-4 in the vicinity of point 4.
But the line 6-23 then begins to take a more flattened shape, that is, the specific heat begins to become higher, at a corresponding temperature, than that of the line 21-4, then the tilt of the line 6-23 increasing again, we finally find the same approximate equality in the vicinity of the respective points 23 and 21. It follows that neither in part nor in whole, the quantity of heat necessary
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following line 6-23 could not be supplied by the quantity of heat subtracted along line 21-4.
Point 23 and therefore point 1 could never occupy the position in which they are represented and would come in a position appreciably lower on. line 6-2, thereby unduly increasing the temperature drop of the heat exchange (eg between points 3 and 1 as well as between points 21 and 23).
To "correct" this heat exchange which no longer takes place without loss, we drift to a point, which is point 4 in FIG. 1, that is to say at a great distance before point 6 which indicates at the end of the compression, a portion of the driving fluid of the main cycle by taking it through a bypass 24 in the heat exchanger 25 which performs the heat exchange between lines 21-4 and 6-23, it is made to take by compression in the compressor 26 along line 4-23 a pressure equal to that of the portions of the working fluid compressed in the main cycle, and it is joined with these latter portions at a point where the temperature of these portions of the working fluid is at least approximately equal to that achieved by the derivative portion. In figure 1 this point is point 23 and in figure 2 the orifice 27.
As a result, a greater quantity of motor fluid is thus circulated in the upper part of the main circuit 23-1-2- 3-21-4 than in the lower part 4-5-6-23 this increase being represented by the amount of fluid derived. This compensates for the difference in addition between the specific heats of line 6-23 and those of line 21-4, by reducing the flow rate per second of the working fluid along line 6-23 compared to its flow rate along line 2l-4 and we thus globally "correct" the heat exchange due to
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that the amount of heat subtracted along line 21-4 becomes at least approximately equal to the amount of heat supplied along line 6-23.
In addition to this "global correction", it is also necessary to perform "detail corrections", which will be described with reference to the other examples given below.
But it is important, in a quite general way, to correct the heat exchange, to choose the motive fluid and to complete the cycle so that the portion of isobar 6-23 is above or in extreme cases (forming a short-length vaporization isotherm) slightly below the critical point K, which follows directly from the indications .; data concerning the establishment of the region containing the critical point K and bounded by lines 14, 15, 16 and 17.
Indeed if :. line 6-23 was at a lower height, it would contain a relatively long deprotization isotherm and hence the heat-absorbing element along this line would receive a relatively large portion of the amount of heat, when the specific heat is infinite, while the heat-yielding element @ along line 21-4 "would be in a vapor state and therefore only have a finite specific heat.;, leave a heat exchange of this nature can only be corrected theoretically by compression with an infinite number of stages with an equally infinite number of intermediate heat transmissions, but not in practice.
In fact, the machines and apparatus with a very large number of stages, necessary for this realization in practice, are not only expensive, bulky and complicated, but also they themselves give rise to additional losses, which to The loss of a number of stages becomes so great that the theoretically expected improvement is reduced to nothing or even more than compensated for.
@
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The exemplary embodiments of FIGS. 3 and 4 include an additional "detail correction". They include a partial double withdrawal, the first time at point 28 by means of a bypass 29, the (Partial quantity being compressed by the compressor 31 along line 28-30 and reintroduced into the main circuit at point 30 by a orifice 32. The second withdrawal of a partial quantity (which should generally be different from the first) takes place at a point which, in Figure 3, is point 4, by means of a branch which follows found at point 33 in FIG. 4, this portion of the working fluid being compressed by a compressor 35 along line 4-34 and reintroduced into the main circuit at point 34 through orifice 36.
The heat exchange between the isobar portions 3-38 and 30-1 takes place in the heat exchanger 37, between the portions 38-40 and 34-30 in the heat exchanger 39 and between the portions 40-4 and 6-34 in the heat exchanger 41.
It follows that the correction of the heat exchange is not carried out, as in the case of figure 1, only from point 34 which corresponds approximately to point 23 of figure 1, but in addition from point 30 down. This additional correction is particularly to be recommended when the specific heats of the motor fluid chosen take no longer from point 34 on the curve, but from point 30 by dropping values that are exaggeratedly greater than those of the motor fluid at the corresponding temperatures. depending on the portion of isobars 3-4.
It follows from this double correction that, on the one hand, only the portion 38-28 of the cycle is traversed by all of the working fluid, the portion 28-4 by this quantity reduced by the first quantity withdrawn and on the other hand the portion 6-34 by this quantity reduced by the two portions taken, and portion 34-30 by this quantity reduced only by
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the first portion taken. The heat spare "global correction" which takes place between isobar portions 38-4 and 6-30 is therefore supplemented by a "detail correction".
In the embodiments of Figures 5 and 6, a portion of the working fluid is taken at point 42, that is to say still far from point 6 which characterizes the end of the compression, by means of a bypass 43 in the main circuit then undergoes an intermediate compression in a compressor 45 along the portion 4-44, then a new compression in a compressor 48 along the portion 46-47 and finally a compression along the portion 49-50 in a compressor 51 which makes it take the pressure of the portions of the working fluid compressed in the main circuit and mixes again with the last portions at point 50 by means of an orifice 52.
The heat exchanges are thus carried out as follows:
The heat exchanger 53 subtracts the heat along curve portion 3-54 from all of the working fluid, and also transmits it to all of the working fluid along line 55-1. This heat exchange does not need correction, since the specific heats along lines 55-1 and 3-54 are still sufficiently equal.
But starting from point 55 going down, the correction is carried out globally and in detail as follows:
The heat exchanger 56 subtracts heat along line 54-57 from all of the working fluid and further along line 44-58 to the withdrawn portion and transmits these two amounts of heat together along line 50-55 to all of the motor fluid. This "correction
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takes into account the fact that the specific heats are already appreciably greater after line 50-55 than along line 54-57.
The specific heats are even greater on line 59-50 and to correct this heat exchange, heat exchanger 6, subtracts heat along line 57-61 to all of the working fluid, then along with line 58-46 and along line 47-49, to the portion withdrawn from the working fluid and transmits these three quantities of heat together along line 59-50 to all of the working fluid minus the portion withdrawn.
The heat exchanger 62 subtracts heat along line 61-42 from all of the working fluid and transmits it along line 63-59 to the working fluid minus the portion withdrawn.
Finally, the heat exchanger 64 subtracts heat along line 42-4 from the working fluid reduced by the portion taken off, and transmits it along line 6-63 to the quantity of the working fluid also reduced by the portion taken off.
In the embodiments of FIGS. 7 and 8, a fraction of the working fluid is diverted from the main circuit at point 65, that is to say before point 6 which characterizes the end of compression, by means of bypass 66, then is compressed by a compressor 68, a first time along line 65-67 and by a compressor 71, a second time, along line 69-70, thus making it take the pressure of the portions of the working fluid compressed in the main circuit, and by remixing it at point 70 with these latter portions by means of the orifice 72;
The heat exchanges are thus carried out as follows:
The heat exchanger 73 subtracts heat along line 3-74 from all of the working fluid and the
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transmits along line 70-1 also to all of the working fluid.
The heat exchanger 75 subtracts heat from all of the working fluid along line 74-76 and transmits it along line 6-70 to the working fluid less the portion withdrawn.
The heat exchanger 77 subtracts heat from all of the working fluid along line 76-4 and transmits it along line 67-78-69 to the withdrawn portion. The result is that the fraction withdrawn vaporizes definitively along line 67-78 and overheats along line 78-69.
In the embodiments of FIGS. 9 and 10, the compression is carried out at two stages in the main circuit, namely: once along line 5-79 by a compressor 13a, and a second time along line 79-6 by a compressor 13b. A fraction is taken between these two stages at point 79, that is to say before point 6, which characterizes the end of compression, in the main circuit, by means of the bypass 80, undergoes compression along the line by the compressor 83, which causes it to take the pressure of the portions of the working fluid compressed in the main circuit, and remix with these latter portions at point 82, by means of an orifice 84. The heat exchanges thus take place in the same way next :
The heat exchanger 85 subtracts heat along line 3-86 from all of the working fluid and transmits it along line 82-1 also to all of the working fluid.
The heat exchanger 87 subtracts heat along the line 86-88 from all of the working fluid and the
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transmits along line 6-82 to the working fluid minus the fraction withdrawn.
The heat exchanger 89 subtracts heat along line 88-4 from all of the working fluid and transmits it along line 78-81 to the withdrawn fraction.
As can be seen, in this case the nature of the working fluid is chosen and the cycle is accomplished so that the portion 4-5- & of the curve passes into the hatched region containing the critical point K, but that the portion 6-1 passes to a relatively large height above the critical point K. It follows on the one hand that a "global correction" of the heat exchange appears sufficient between portions 86-88 and 6- 82, but on the other hand that, given that point 6 is high, it is also necessary that point 88 up to which this heat exchange can take place, is high and that consequently the subtraction of the quantity of heat - their to be removed definitively, which should start at point 88, should be done in part with a strong detrimental drop in temperature.
However, this drawback can be remedied by not transmitting the heat along line 88-4 to the coolant, but to the fraction taken by heat exchange along line 79-81, so that the subtraction of the The amount of heat to be definitively subtracted only begins at point 4 and therefore begins at a significantly lower temperature drop.
In the embodiments of Figures 11 and 12, the fraction of the working fluid is taken from the main circuit at point 90 by means of a bypass 91, expands by providing work by means of the turbine 93 along line 90-92 , is recompressed along line 94-95 by means of a compressor 96 to the pressure of the portions of the finish ?, engine compressed in the main circuit, and remixes with this ¯ last portions at point 95 by means of the orifice
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97.
The heat exchanges are thus carried out as follows:
The heat exchanger 98 subtracts heat along line 3-99 from all of the working fluid and transmits it along line 95-1 to all of the working fluid as well. "
The heat exchanger 100 subtracts heat along line 99-101 from all of the working fluid and transmits it along line 90-95 to the working fluid less the fraction withdrawn.
The heat exchanger 102 subtracts heat along line 101-103 from all of the working fluid and transmits it along line 6-90 also to all of the working fluid.
The heat exchanger 104 subtracts heat along line 103-4 from all of the working fluid and transmits it along line 92-84 to the withdrawn fraction.
As can be seen, the correction of the heat exchange is carried out mainly along the line 90-95.
It also follows that point 4 is then located on the condensation isotherm and that consequently all of the heat to be permanently withdrawn from the main circuit is isothermally subtracted.
CLAIMS.
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