Procédé employant un<B>cycle</B> thermique et installation pour la mise en #uvre de ce procédé. La présente invention a pour objet un procédé employant un cycle thermique.
Ce procédé est caractérisé en ce que l'on emploie comme véhicule d'énergie un fluide qui se distingue 10 par une courbe entropi- que surplombante, 2 par un point d'Aulli- tion entre + 50 C et - 40 C, 30 par un poids Moléculaire au moins égal à 44, 40 par sa stabilité chimique et 50 par sa neutralité chimique.
On pourrait employer, par exemple, comme véhicule il'énerg gie, du propane, du butane, du pemane OU encore d'autres hydro- carbures ou bien des fluorocarbures tels que le fluoroétane C2F6 et le fluorapropane, C3F8 par exemple. On pourrait aussi employer un mélange d'hydrocarbures et de fluorocarbures par exemple. Si dans la procédé selon l'in vention en emploie un des corps mentionnés, on obtient l'avantage de pouvoir pour une même puissance réduire, les dimensions et par suite le coût d'une installation servant à, mettre en #uvre ce procédé.
L'invention a également pour objet une installation pour la mise en ceuvre de ce pro <B>cédé</B> et comportant un appareil évaporateur du véhicule d'énergie, un moteur<B>à</B> vapeur, un appareil de récupérWtion de surchauffe, un conidenseuret un engin de compression.
On pourrait, par exemple, mettre en #uvre le procédé en employant comme véhi cule d'énergie le butane.
Le 'butane, dont la formule chimique est C4H10, est un hydrocarbure dont le point d'ébullition<B>à</B> pression atmosphérique est voisin de 0 C; sa tenpérature critique est de làl' <B>C</B> environ pour une pression critique de <B>37,5</B> atm abs. Ces chiffres ne sont vala bles que pour le butane normal pur. Le bu tane commercial, composé de normal-butane et d'isobutane, bout sous<B>760</B> mm -de mercure <B>à</B> environ<B>- à ' C</B> et atteint la pression criti que<B>de</B> 40 atm abs. <B>à</B> la température de 140'<B>C</B> environ.
Voici comment on pourrait parexemple.. mettre en #uvre un-, forme d'exécution du procédé dans laquelle on emploie le butane comme véhicule d'énergie dans l'installation représentée à, la fig. 1 qui représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution d'une ins tallation pour la mise en #uvre du procédé selon l'invention. Cette installation est une installation<B>à</B> deux véhicules d'énergie, l'eau et le butane.
De la vapeur d'eau est produite à la pression p, dans la chaudière à vapeur 1 puis surchauffée<B>à</B> la température<B>f,</B> dans le surchauffeur 2. Cette vapeur d'eau sur chauffée est détendue dans la partie haute pression de la turbine à vapeur d'eau à sou tirage 3a jusqu'à la pression p2 et produit du travail mécanique. Une partie de cette vapeur d'eau de pression p2 est dirigée à tra vers la conduite 4 vers l'usine pour des Ue- soins industriels et de chauffage. L'autre partie arrive, par la conduite<B>5</B> au wndenfflur 6, ce condenseur constituant l'appareil éva porateur du circuit à butane.
La chaleur latente de vaporisation de la vapeur d'eau arrivant par le tuyau<B>5</B> au condenseur<B>6</B> est utilisée pour la vaporisation et éventuellement la surchauffe de butane qui sert de réfrigérant dans ce condenseur. La vapeur d'eau condensée est retournée à la chaudière 1 au moyen de la pompe d'alimen tation 7 à travers la conduite 8.
lia vapeur de butane en sortant du con- denseur <B>6</B> aura une température très peu inférieure<B>à</B><I>t,</I> si les surfaees de chauffe ont été dimensionnées et disposées judicieuse ment. La vapeur de butane est dirigée à tra vers le tuyau<B>9</B> vers la turbine<B>3b</B> montée sur le même arbre que la turbineà vapeur d'eau 3a. La vapeur de butane est détendue dans la turbine jusqu'à la pression régnant dans le condenseur 10.
Dans le condenseur-évapora- teur 6 le butane a été amené à une tempéra ture et une pression supérieures aux valeurs critiques et cela insuffisamment pour que, grâce<B>à</B> la forme surplombante de sa courbe entropique (indiquée en ABC à la fig. 2), la détente de la vapeur de butane dans la turbine 3b aboutisse dans la zone de 6ur- chauffe. Cette surchauffe de la vapeur dé- tendue peut être très considérable en cas d'une surchauffe initiale importante.
Cette chaleur de surchauffe se récupère comme suit: Le butane condensé est dirigé depuis le coidenseur 10 vers le condenseur-échan- geur 6 à Faide de la pompe d'alimentation 12 à travers l'appareil récupérateur de sur chauffe<B>Il</B> tavaillant <B>à</B> contre-courant et que la vapeur de butane venant de la turbine<B>3b</B> traverse avant de pénétrer dans le conden- seur <B>10.</B> Le butane liquide absorbe ainsi utilement les calories de surchauffe de la -vapeur détendue.
L'échangeur<B>13,</B> intercalé sur le circuit butane entre l'appareil<B>11</B> et le condenseur- échangeur <B>6,</B> est un réchauffeur intermé diaire. L'eau chaude produite dans l'éconc#- miseur 14 circule<B>à</B> travers la conduite<B>16 à</B> l'aide de la pompe<B>15</B> entre le réchauffeur de butane<B>13</B> et l'économiseur 14.
Dans le cas particulier, où l'eau d'ali mentation<B>de</B> la chaudière<B>1</B> est<B>à</B> une tem pérature élevée, le réchauffeur <B>13</B> permet de tirer un parti avantageux de l'économiseur 14 et d'obtenir un rendement favorable pour l'ensemble du générateur<B>1.</B> Au lieu d'em ployer<B>le</B> condenseur,4-,hangeur <B>6</B> pour pro duire la vapeur de butane, on pourrait aussi produire cette vapeur dans un appareil éva porateur chauffé directement au moyen d'un combustible. L'installation fonctionnerait alors au butane seul. La turbine<B>3b</B> pourrait aussi être remplacée par une machine<B>à</B> piston.
lies dewités des vapeurs de butane sont un multiple de oelles des vapeurs d'eau aux mêmes teffnpératures de sorte que, malgré la chaleur totale plus petite, les sections de passage deviennent plus petites pour la ma, chine<B>à</B> vapeur de butane que pour la ma chine<B>à</B> vapeur d'eau d'où il résulte qu'on peut réduire le poids et partant le prix d'une machine<B>à</B> vapeur de butane, par rapport<B>à</B> la machine<B>à</B> vapeur d'eau.
On pourrait aussi mettre en #uvre la forme d'exécution du procédé employant le butane pour tirer parti de souroes de chaleur de températures relativement buses. Dans cette forme d'exécution, la vaporisation du butane peut, par exemple, avoir lieu sous pression dans un évaporateur spécial, la clé- tente de la vapeur se faire dans un moteur à, vapeur (turbine ou machine à piston), la liquéfaction de la vapeur détendue<B>à</B> la sortie du moteur se faire daus un condenseur et le butane, liquide être ensuite réintégré dans l'évaporateur au moyen d'une pompe pour recommencer le cycle.
La dtente adiabatique de vapeur de bu- tanaà la, pression critique (ou plus) et ayant un léger degré de surchauffe (il suffit de 1 à 2' C) aboutit déjà dans la zone de surchauffé, ce qui constitue l'avantage de la forme d'exécution du procédé employant le butane. Dans ce, cas, la, chalieur de surchauffe est récupérable avec un déchet insignifiant.
Dans la formed'exécution du procédé dé crite ci-dessus et mise en #uvre dans l'ins- tallatioin représentée schématiquement à titre d'exemple à, la, fig. 1, si la vapeur d'eau a une pression p1 = 40 atm à l'admission à l'étage haute pression de la, turbine 3a et si cette vapeur est détendue à p2 = 5 atm pour température t2 = environ 151 C, la vapeur de butane pourra être produite dans le con- denseur-éthangeur 6 à la, pression de 40 atm, suit la, pression critique, et à une température légèrement supérieure à la température cri tique qui est de 140 C.
La détente de la va peur de butane dans l'étage basse pression 3b de la turbine pourra être conduite jus qu'à la pression correspondant à une fempé- rature de 20' C dans le condenseur 10, si l'eau de réfrigération est<B>à</B> une température voisine de 15 C.
Pour une température de 20 C à l'inté rieur du condenseur 10, la pression de la vapeur de butauede, 2,9 atm abs. reste encore largement au-dessus de la, pression atmosphé rique; l'intérieur du condenseur reste sous pression, la pompe à vide, nécessaire dans le cas de la vapeur d'eau condensée<B>à</B> la même température, est supprimée.
Si dans le procédé qui vient, d'être décrit on a recours<B>à</B> des surchauffes importantes, il sera, possible d'atteindre des rendements thermiqués effectifs très élevés, ces rende ments pouvant, par exemple, dépasser les 40% à des températures n'atteignant pas 500 Il C.
La forme d'exécution du procédé em ployant le butane est particulièrement indi- quiée pour produire ide l'énergie au moyen, de deux sources de chaleur, dont les tempéra tures sont relativement voisines. En effet, l'emploi dans de tels eu de la, vapeur d'eau mènerait à des dimensions énormes pour les installations, ce qui n'est pas le eu pour le butane, les dimensions de l'installation né cessitée pouvant facilement être maintenues dans ides limites convenables.
Les sources de chaleur qu'on pourrait ainsi utiliser pax exemple sant les eaux chan- des, gaz chauds et buées de vapeur actuelle ment perdues dans les forges, salines et nom breuses autres industries.
On pourrait aussi, par exemple, mettre en #uvre unie forme d'exécution du procédé employant du butane comme véhicule cl'6ner- giede façon que le<B>cycle</B> thermique soit pax- couru en sens -inverse de celui décrit prée,6- demment. Ce cycle pourrait être celui d'une pompe de chaleur par exemple.
La fig. <B>8</B> représente,<B>à,</B> titre -d'exemple, une forme d'exécution d'une pompe de cha leur<B>à</B> vapeur de butane et illustre, 6gale,- ment <B>à</B> titre -d'exemple, une forme, d'exku- tiondu procàd.6,ainployant le butane comme véhicule Dans la pompe de chaleur représentée<B>à</B> la fig. <B>3,</B> la vapeur de butane, -est comprimée adiabatiquement dans le compresseur rotatif <B>à,</B> ailetteo mobiles<B>1'.</B> Cette,
vapeur comprimée passe dans un condenseur 2' où -elle est com primée isothermiquement, c'est-à-dire que le butane se liquéfie en cédant -de la chaleur<B>à</B> un circuit de chauffage. Le butane liquide parvient du candenseur <B>à</B> l'évaporateur<B>3'</B> en passant par<B>le</B> -dispositif étrangleur 4' dans lequel le butane liquide se détend jusqu'à la pression de l'évaporateur. L'évaporateur est alimenté en eau froide qui cède sa chfaIeur au 'butane qui se vaporise, cette détente du tbutane ayant lieu isothermiquement dans l'évaporateur.
Le cycle parcouru par le butane dans la pompe de chaleur représentée à la fig. 3 est représentée par le diagramme de la fig. 4.
Dans ce diagramme est représenté: 10 l'évaporation, le long de la ligne o-a à partir du point e; la quantité de chaleur absorbée est représentée par la surface e' e a a' e'; 20 la compression, la dépense d'énergie est représentée par la surface a b e 0 e a; 30 la liquéfaction, le long de la ligne b-c la chadeur cédée au circuitdu chauffage étant représentée par la surface a'a b e d d'a'; 40 la détente par étranglement, figurée par la ligne c-e. La chaleur totale du véhi cule d'énergie en c et en e est restée sans changement. Si la détente avait été adiaba tique, on aurait abouti en d et on aurait pu récupérer une quantité d'énergie mécanique représentée par le triangle 0 c d.
L'équiva lent en chaleur de cette quantité d'énergie mécanique est restée incorporée<B>à</B> la vapeur, ce qui a pour effet qu'elle est plus sèche en e qu'en d.
Voici, par exemple, dans quelles condi tions la pompe de chaleur de la fig. 4 pour rait fonctionner: La source de, chaleur inférieure est comti- tuée, par de l'eau de conduite d'une tempé rature de + 10' C. La température de l'eau du circuit de chauffage doit être élevée de 45 à 5,5 C. La température du butane détendu sera de 0' C, celle du butane com primé de 60 C, de sorte que l'échange de chaleur aux deux sources sera assuré par des différences de température relativement larges. lie cycle du butane se, fera alors comme suit: 1. Vaporisation. - A la sortie du dispo sitif d'étranglement, la température<B>de</B> la vapeur de butane sera de 0 C. Son titre d'humidité sera tel que sa chaleur totale sera de 36,9 calories.
La chaleur pui8ée dans l'eau de conduite de 10 ' C vaporisera le butane très humide jusqu'à saturation, c'est-à-dire jus qu'aux taux de chaleur totale de 89,7 calo- ries. La différence, soit 52,8 calories, aura été retirée de la source inférieure de chaleur.
2. Compression adiabatique. - L'énergie nécessaire à cette compression ressort du dia gramme de Nollier (diagramme i-s) à 16 calories pour une compremion adiabatique de vapeur saturée à 0 C au départ et poussée jusqu'à 60 C. En fin de compression, la va peur présentera une chaleur totale de 105,7 ca lories et un titre d'environ 8 % d'humidité.
3. Condensation isolhermique. - On ad met qu'elle est conduite jusqu'à 100 % d'hu midité mais sans aucun abaissement de tem pérature. La chaleur totale du liquide sera en fin de condensation de 36,9 calories. La différence, 105,7 - 36,9 = 68,8 calories, aura été transmise<B>à</B> la source supérieure de chaleur. Ces<B>68,8</B> calories provienneM <B>à</B> -rai son<B>de 52.8</B> calories des calories puisées<B>à</B> la source inférieu-re et<B>à</B> raison de<B>16</B> calories du travail mécanique fourni par le coin- presseur.
<I>4. Détente.<B>-</B></I> Elle se fait par étrangle ment, la chaleur contenue restant par con séquent constante. Dans cet exemple, le fac teur de traas#formation refflort <B>à:</B>
EMI0004.0011
c'est-à-dire que pour chaque Kwh d'énergie dépensée (abstraction faite des pertes méca niques)<B>3720</B> calories sont amenéffl de<B>10'<I>C</I></B> <B>à 55 0</B> C.
Le réglage de la pompe de chaleur re présentée<B>à</B> la fig. <B>3</B> pourrait se faire au moyen d'un thermostat maintenant automati quement constante la température du butane comprimé.
La fig. <B>5</B> représente,<B>à</B> titre d'exemple, une variante de la pompe de chaleur de la fig. <B>3</B> et illustre, également<B>à</B> titre d'exemple, une autre forme d'exécution du procédé selon l'invention, dans laquelle le véhicule d'énergie est du butane. Dans la variante de la fieg. <B>5,</B> le butane sortant du condensateur est détendu adiabatiquement dans une tuyère<B>5',</B> l'énergie cinétique du jet servant<B>à</B> entraîner une roue de turbine Pelton <B>6'</B> fixée sur l'arbre du compresseur à ailettes mobiles l' entraîné, d'autre part, par un moteur électrique.
Dans le cycle parcouru par le butane dans cette variante, la détente a lieu de c à d (fig. 4) et l'on récupère une quantité de travail mé canique dont l'équivalent est représenté par le triangle 0 c d.
La fig. 6 représente, à titre d'exemple, une variante de la pompe de chaleur de la fig. à et illustre, également à titre d'exemple, une variante du procédé mis en ceuvre dans cette pompe de chaleur. Dans cette pompe de chaleur, on a prévu un thermostat 7' Va agissant par un mécanisme de<U>commande</U> sur l'ouverture de la tuyère 5' afin d'obtenir un réglage automatique de la quantité de cha leur cédée au circuit de chauffage. La quan tité de chaleur enlevée<B>à</B> l'eau d'alimentation de l'évaporateur 3' est réglée au moyen d'un dispositif thermostatique 8'a agissant sur l'admission de cette eau en 8' de façon à maintenir constante sa température de sortie. Ceci est intéressant, particulièrement pour le cas où l'eau d'alimentation est prélevée sur une conduite urbaine.
Dans la variante de la fig. 6, il pourrait aussi y avoir intérêt de laisser refroidir l'eau d'alimentation jusqu'à formation partielle de glace (sorbet). Dans ce cas, 50 calories et même plus seraient four nies par chaque litre d'eau. Dans ce cas, on pourrait agencer le réglage de la quantité de chaleur prélevée<B>à</B> l'eau d'alimentation de l'évaporateur<B>3',</B> de façon que la proportion de cette eau transformée en glace reste eDnstante.
Les poinpesde ehaleurdécrites trouveront leur application principale dans le chauffage central des immeubles.
Les compresseurs de ces pompes de cha leur étant commandés électriquement, les distributeurs d'électricité exigeront proba- blement l'interruption du courant pendant les heures de pointe s'ils doivent fournir du vourant à, tarif réduit. Afinde permettre de continuer de chauffer pendant ce temps d'in terruption, le circuit d'eau de chauffage de la variante de la fig. 6 comporte un volume tampon 9' dans lequel passe cette eau et qui sert d'accumulateur de chaleur. Le cir- cuitde, chauffage pourrait être à circulation forcée et la volume tampon commaadé par thermastat.
Enfin, lorsque les pompes de chaleur dé crites sont destinées à des besoins subsis tant pendant toute l'année, l'eau de la source froide alimentant l'évaporateur peut trouver son utilisation comme eau réfrigérante ou comme eau glacée de consommation si elle est potable.
Au lieu de butane, on pourrait employer également le propane, ou le pentane dans les pompes de chaleur décrites. Ces corps pré sentent l'avantagge que l'on peut employer ,des compresseurs à un seul étage de cons truction simple, cax même, pour les tempé ratures de l'ordire de 80' C du circuit de chauffage les pressions finales ne dépassent guère 8 atm. Les corps indiqués dans ce qui précède se décomposent difficilement et n'at taquent pas les organes des installations servant à mettreen ceuvre les procédés em ployant ces corps.