CA2399580C - Compresseur thermocinetique - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif permettant de comprimer un gaz à l'aide d'énergie thermique. Dans une version subsonique, le gaz réchauffé traverse une tuyère convergente "C1" où il est mis en vitesse, une tuyère convergente "C2" où il est simultanément maintenu à vitesse élevée et refroidi par évaporation de liqui de pulvérisé par des buses "R" de position réglable réparties dans "C2". Dans une version supersonique, le gaz atteint une vites se sonique au col de "C2" et supersonique dans un divergent "DG", puis est comprimé dans un convergent "CG1" et simultanément refroidi par évaporation de liquide pulvérisé. Dans les deux versions, le gaz est enfin comprimé dans un divergent subsonique "DG1". Des tuyères à géométrie variable permettent de modifier les sections des cols du dispositif. Le dispositif est essentiellement destiné aux centrales thermo-électriques.

Description

COMPRESSEUR THERNOCINETIQUE
DESCRIPTION
La présente invention concerne un compresseur d'air ou de tout autre gaz à faible coût de revient, dont l'énergie primaire utilisée dans le cycle de compression n'est pas de l'énergie mécanique ou électrique comme dans la plupart des compresseurs, mais directement de l'énergie thermique; ce compresseur ne comporte aucune partie mobile soumise à usure, et les pertes d'énergie dues aux frottements ainsi que l'excédent de chaleur de la source froide du cycle peuvent être récupérés pour être réutilisés dans le cycle de compression ou pour générer de la vapeur sous pression qui, mélangée au gaz comprimé, en augmente le débit.
Ce dispositif trouve son application, en particulier mais non exclusivement, dans la compression ou la mise sous vide partiel de tout gaz industriel, mais son cycle thermique le prédestine particulièrement à la réalisation de centrales thermo-énergétiques à
rendement élevé, à la réalisation de systèmes d'économie d'énergie tels que la recompression mécanique de vapeur, ou à la récupération et reconversion d'énergie thermique résiduelle.

Dans l'état actuel de la technique, les compresseurs sont constitués de dispositifs dans lesquels l'énergie de compression du gaz est fournie sous forme d'énergie mécanique; compresseurs volumétriques, compresseurs centrifuges ou axiaux, .. , ou d'énergie potentielle ou cinétique d'un autre gaz d'entraînement, ce qui est encore une forme d'énergie mécanique : éjecteurs.
Par ailleurs, il est connu des dispositifs du type éjecteurs dans lesquels l'énergie mécanique de compression a comme origine l'énergie cinétique d'un gaz ou d'un liquide d'entraînement, ce qui est le cas des brevets Nos. BE537693, GB928661, et EP0514914, ou encore un dispositif concernant uniquement des mélanges de gaz sans présence de liquide, ce qui est le cas du brevet No. US3915222 dont le fonctionnement est douteux; les principes mêmes de fonctionnement et les éléments constitutifs de ces dispositifs ne peuvent pas être comparés au dispositif objet du présent brevet, pour lequel

2 l'énergie de compression n'est ni de l'énergie mécanique ni de l'énergie cinétique d'un fluide d'entraînement, mais uniquement de l'énergie thermique, ave mélange indispensable du gaz à comprimer à
un liquide dont l'évaporation permet d'absorber la chaleur à évacuer à la source froide du cycle.
Les compresseurs correspondant à l'état actuel de la technique nécessitent un entretien important du fait des frottements mécaniques et des usures qui en résultent, et présentent des rendements énergétiques faibles, voir très faibles pour les éjecteurs, dus essentiellement:
- Aux multiples conversions d'énergie dans les équipements utilisés: Moteurs thermiques ou Turbines pour convertir de l'énergie thermique en énergie mécanique ou électrique, éventuellement alternateurs et moteurs électriques pour retransformer l'énergie électrique en énergie mécanique, puis enfin compresseurs pour transférer l'énergie mécanique au gaz à
comprimer, - Aux températures relativement basses utilisées lors de la première transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique dans les centrales électriques, - Au réchauffement du gaz à comprimer lors de sa compression, ce qui l'éloigne inéluctablement d'une compression adiabatique, - Aux frottements mécaniques et aux pertes d'énergie cinétique du gaz à comprimer, - A la non-récupération, dans le cycle total, des énergies thermiques provenant de la compression, des pertes par frottement, et de la source froide du moteur ou de la turbine, - Aux usures mécaniques, - Aux dépôts et encrassements sur les compresseurs d'air: même les lavages fréquents des compresseurs des turbines à gaz ne peuvent qu'atténuer l'effet de ces encrassements.

Pour remédier à la plupart de ces inconvénients, il est prévu, selon l'invention, un dispositif pour comprimer un gaz, comprenant:
des moyens pour amener un gaz entrant faible pression à une température élevée;
un convergent de détente pour accroître la vitesse du gaz vers une vitesse sonique, le convergent de détente étant disposé en aval des moyens pour amener le gaz entrant à une température élevée;

2a une tuyère convergente disposée en aval du convergent de détente, la tuyère convergente réalisant une détente et un refroidissement du gaz, dans laquelle le gaz est refroidi et en même temps maintenu à une vitesse élevée;
un système de refroidissement comprenant un ensemble de buses de pulvérisation de liquide pour pulvériser un liquide à l'intérieur de la tuyère convergente, les buses de pulvérisation de liquide ayant des débits réglables et des positions réglables et étant réparties le long de la tuyère convergente, permettant à la vitesse du gaz d'être maintenue à un vitesse plus faible que la vitesse sonique le long de la tuyère convergente;
une tuyère divergente disposée en aval de la tuyère convergente pour comprimer le gaz en réduisant sa vitesse à une vitesse d'écoulement subsonique normale; et une ligne d'évacuation dans laquelle le gaz possède une température plus basse et une pression plus élevée.

La présente invention concerne également un dispositif pour comprimer un gaz, comprenant:
des moyens pour amener un gaz entrant faible pression à une température élevée;
un convergent de détente pour accroître la vitesse du gaz jusqu'à une vitesse sonique, le convergent de détente étant disposé
en aval des moyens pour amener le gaz entrant à une température élevée;
une tuyère divergente supersonique disposée en aval du convergent de détente et ayant pour fonction d'accroître la vitesse du gaz pour atteindre un écoulement supersonique;
une zone de transition disposée en aval de la tuyère divergente supersonique;
une tuyère convergente de compression/refroidissement disposée en aval de la zone de transition pour réduire la vitesse du gaz tout en continuant de refroidir le gaz;
un système de refroidissement comprenant un ensemble de buses de pulvérisation de liquide pour pulvériser un liquide à l'intérieur de la zone de transition et de la tuyère convergente de compression/refroidissement;

2b une seconde tuyère convergente de compression disposée en aval de la tuyère convergente de compression/refroidisse-ment, dans laquelle la vitesse du gaz continue de décroître;
une seconde tuyère divergente disposée en aval de la seconde tuyère convergente de compression pour comprimer le gaz en réduisant sa vitesse à une vitesse d'écoulement subsonique normale; et une ligne d'évacuation dans laquelle le gaz possède une température plus basse et une pression plus élevée.

Les objets, avantages et caractéristiques ci-dessus et autres de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description non limitative qui suit de modes de réalisation illustratifs de celle-ci, donnée en relation avec les dessins annexés.

Le dispositif selon l'invention qui n'utilise ni énergie mécanique ni énergie cinétique d'entraînement mais uniquement de l'énergie thermique pour comprimer le gaz, permet de remédier à la plupart de des inconvénients ci-dessus mentionnés des compresseurs classiques par l'utilisation d'un cycle différent, consistant à prétraiter le gaz à comprimer et à lui fournir directement de l'énergie thermique, à détendre ce dernier à une vitesse sonique ou supersonique à
travers des tuyères de détente, à effectuer un prélèvement de chaleur à haute vitesse et donc à basse température par pulvérisation et évaporation contrôlée de liquide répartie dans une tuyère de détente-refroidissement, la tuyère permettant de maintenir une vitesse élevée, et enfin à recomprimer ce gaz dans une tuyère de compression adiabatique afin de ramener sa vitesse à une valeur d'écoulement normale: les tuyères de détente, de détente-refroidissement, et de compression adiabatique peuvent être équipées d'un système de géométrie variable, permettant d'ajuster les sections de leurs cols d'entrée et/ou de sortie afin de régler entre autres le débit et le taux de compression du dispositif. Le prélèvement de chaleur à basse température provoque une chute d'entropie considérable dans le gaz à comprimer, qui se traduit par une pression en sortie du dispositif très supérieure à la pression d'entrée.
Dans ce dispositif, les pertes d'énergie dues aux pertes de charge du gaz à comprimer ainsi que les déperditions thermiques par les 2c parois du dispositif se retrouvent réinjectées sous forme de chaleur dans le gaz à comprimer, diminuant d'autant l'apport thermique initial.
De même, la chaleur excédentaire de la source froide est évacuée par l'évaporation du liquide pulvérisé, ce qui augmente d'autant le débit de gaz comprimé en sortie du dispositif; cette augmentation du débit, qui peut être éliminée en sortie du dispositif par condensation, est utile

3 80 pour certaines applications du dispe>sïtif, et en particulier pour la réalisation de centrales thermo-électriques où elle se substitue très avantageusement aux générateurs de vapeur dans des centrales à vapeur et surtout dans des centrales à cycles combinés.
Les ondes de choc ou de compression pouvant éventuellement se développer dans la partie supersonique de l'écoulement peuvent être supprimées ou déplacées vers l'orifice de sortie du 85 dispositif, comme décrit dans les variantes détaillées par la suite.
VERSION de BASE 1 Dans son concept le plus simple que nous dénommerons Version de base 1, représentée sur la figure 1, le dispositif selon l'invention utilise un écoulement subsonique ou sonique ; il comporte une ligne d'aspiration équipée pour pré-traiter et réchauffer le gaz à
comprimer, une chambre 9o d'admission ( C ) optionnelle destinée à tranquilliser le flux gazeux avant son admission dans un convergent de détente ( C1 ) permettant d'accroître sa vitesse jusqu'à la vitesse sonique éventuellement, une zone de transition ( N), une tuyère convergente de Détente/Refroidissement ( C2 ), un système de refroidissement. ( R) constitué d'un ensemble de buses de pulvérisation d'eau (ou autre liquide) de débit etlou de position réglables à partir de l'extérieur du dispositif 95 réparties le long des zones ( Nfet i, ('12 ) et destinées à extraire de la chaleur du gaz à comprimer par évaporation du liquide injecté, et enfin un divergent de compression adiabatique ( D) destinée à comprimer le gaz en réduisant sa vitesse jusqu'à une vitesse d'écoulement normale de l'ordre de 10 à 50 m/s avant son admission dans une chambre de tranquillisation ( T ) et son refoulement dans une conduite d'évacuation.
100 La zone de transition ( N ) assure une liaison continue entre les extrémités de ( C1 ) et ( C2 ) avec une génératrice à pente monotone, et sans angle.
L'aspiration est équipée des éléments permettant de réchauffer le gaz à
comprimer, tels que :
Echangeurs thermiques ( El ), ( E2: ),..., ( En ) utilisant, directement ou à
l'aide d'un fluide intermédiaire, la chaleur résiduelle contenue dans le gaz comprimé en sortie du dispositif ou 105 toute autre source de chaleur disponible par ailleurs, Brûleur ( B ) alimenté en combustible, turbine de détente (TB); ces éléments sont destinés à réchauffer le gaz à
comprimer si sa température n'est pas suffisamment élevée à l'entrée du dispositif ; Selon le besoin auquel est destiné le gaz à comprimer, l'aspiration peut être équipée d'éléments supplémentaires tels que :
Filtre d'aspiration ( F), Silencieux ( S ), Compresseur primaire ( CP ) destiné à la mise en 110 service du dispositif.
De même, selon le contexte d'utilisation du dispositif, la conduite d'évacuation peut être équipée d'éléments tels que : Systèmes de recyclage des gaz chauds, Echangeurs ( E' 1), ( E'2 ),..., ( E'n ) permettant de récupérer la chaleur résiduelle contenue dans le gaz comprimé
du dispositif, Silencieux ( S' ); ces équipements peuvent n'être alimentés que par une partie du 115 gaz comprimé, et peuvent être installés en aval d"un brûleur et d'une turbine si le dispositif est destiné à une production d'énergie mécanique ou électrique.
Le réchauffage du gaz en amont de ( C ) permet de le surchauffer pour éloigner sa température de la température de saturation avec le liquide pulvérisé ; selon le taux de compression et le

4 rendement recherchés, la température de surchauffe peut s'étendre de 100 C
jusqu'à plus de 120 1500 C.
Lors de son écoulement dans la tuyère convergente de Détente / Refroidissement ( C2 ), le gaz est à chaque instant détendu et mis en vitesse dans la tuyère convergente, et simultanément refroidi par l'évaporation du liquide pulvérisé, ce qui provoque sa contraction en régime sonique ou subsonique et donc une chute de vitesse avec chute d'entropie et augmentation de pression , 125 ce qui atténue ou supprime la tendance à l'accroissement de vitesse due au convergent: : la répartition de la pulvérisation et de l'évaporation le long de la zone neutre ( N) et de la tuyère ( C2 ) permet de réaliser l'équilibre entre les tendances d'augmentation et de baisse de la vitesse, et donc d'effectuer un prélèvement de chaleur tout en maintenant une vitesse optimale sonique ou subsonique tout au long de l'axe de ( C2 ).
130 A cet effet, le système de refroidissement ( R) permet d'ajuster la répartition du refroidissement le long de l'axe de ( C2 ) par tout rrdoyen permettant le réglage du débit et de la position de chaque buse ; un exemple de réalisation, représenté sur la figure 1.1, montre des buses disposées dans des ailettes radiales réparties le long de l'axe de ( C2 ), avec possibilité de régler manuellement ou automatiquement à partir de l'extérieur le débit de liquide injecté dans chaque 135 rangée de buses à l'aide de vannes externes ; un second exemple de réalisation préférentielle, représenté sur la figure 1.2, montre des buses de pulvérisation réparties le long de l'axe du dispositif dans les zones ( N) et ((;2 ) et disposées en extrémité de tubes concentriques coulissants axialement ; les tubes sont supportés par des paliers filetés en extrémité de la chambre d'admission, les filetages permettant de régler manuellement ou automatiquement à
140 partir de l'extérieur la position de chaque buse de pulvérisation ; des vannes externes permettent de régler le débit de chaque buse .
Bien entendu le dispositif peut être conçu avec une seule buse de pulvérisation, mais ïl présente alors un rendement dégradé.
Afin de réduire la longueur de la zone ( C2 ) et donc de diminuer les pertes de charge du gaz à
145 comprimer à travers le dispositif, les buses de pulvérisation retenues sont préférentiellement des buses à haute vitesse d'injection et à dimensions minimales des gouttelettes, telles que des buses à haute pression, avec assistance à l'air comprimé ou à la vapeur, et éventuellement à ultra-sons ou à micro-ondes.
Pour des températures de gaz à l'entrée de ( C ) inférieures à 300 C, les parties ( C), ( C1 ), 150 ( N), ( C2 ), ( D), et ( T ) peuvent être réalisées en acier au carbone, en acier inoxydable, ou tout autre matériaux compatible avec le gaz à comprimer et présentant une bonne résistance mécanique et une bonne résistance à l'abrasion à 300 C ; pour des températures de gaz à l'entrée de ( C) supérieures à 300 C, ces parties peuvent par exemple être réalisées en acier au carbone revêtu intérieurement de calorifuge ou de réfractaire, en acier au carbone ou inoxydable avec 155 double enveloppe refroidie à l'eau ou au gaz à comprimer, en céramique, ou tout autr=e matériau doté d'une bonne résistance mécar-ique et d'une bonne résistance à l'abrasion aux hautes températures.

A titre d'exemple de réalisation, le dispositif selon la figure 1 permet de comprimer de 1 bar A
à 2,5 bar A près de 30.000 Nm3 /heure d'air, à partir des éléments suivants :
160 -Une ligne d'aspiration d'air de diarnètre intérieur 0,6 m en acier au carbone incluant un compresseur primaire de démarrage capable de développer une surpression de 100 mbar et un brûleur fonctionnant au gaz naturel avec revêtement intérieur de la ligne d'aspiration en béton réfractaire au niveau du brûleur et en aval ; le brûleur permet de préchauffer l'air à une température voisine de 1200 C .
165 -Une chambre d'admission cylindrique ( C de longueur 1,5 m et de diamètre voisin de 1,2 m -Un convergent de détente cylindrique ( Cl ) de longueur 0,6 m et de diamètre de sortie 0,6 m -Une zone de transition ( N) cylindrique de diamètre 0,6 m et de longueur 0,3 m -Une tuyère ( C2) de diamètre d'entrée 0,6 m, de diamètre de sortie voisin de 0,35 m et de longueur totale voisine de 1 m 170 -Un divergent ( D) de diamètre d'entrée 0,35 m et de longueur 0,3 m -Une chambre de tranquillisation ( T) de diamètre 0,6 m et de longueur 0,7 m -Un échangeur thermique entre l'air comprimé en sortie de ( T ) et l'air à
l'aspiration.
La chambre d' admission ( C est réalisée en acier au carbone revêtu intérieurement de béton réfractaire, tandis que ( C 1), ( N), d; ('12 ), ( D), et ( T) sont réalisés en acier au carbone à double 175 enveloppe refroidie par circulation de l'air à comprimer avant son entrée à l'aspiration d'air ; les buses de pulvérisation, installées sur -et alimentées par- un système de tubes coulissants concentriques en acier au carbone de diamètre extérieur 60 mm traversant la chambre d'admission, sont réparties dans ( C2 ) et permettent d'injecter près de 4,7 kg/seconde d'eau à
200 m/seconde avec des dimensions moyennes de gouttelettes voisines de 10 m .
18o VARIANTE 2 Une variante 2, concernant un écoulement sonique ou subsonique, représentée sur les figures 2.1, 2.2, 2.3, et 2.4, permet de régler le débit du gaz à comprimer, le taux de compression, et le rendement énergétique du dispositif:' . Dans cette variante, la tuyère de détente/ refroidissement (C2) et le divergent de compression adiabatïque (D) de la version de base 1 sont remplacées par 185 une tuyère convergente et une tuyère dïvergente les deux à géométrie variable, ce qui permet d'ajuster la section de sortie de ( C:? ) et la section d'entrée de ( D ), et donc la section du col entre ( C2 ) et ( D); le système de géométrïe variable, commandé depuis l'extérieur du dispositif, est obtenu par tout mécanisme permettant de modifier la section de passage du col du dispositif, tel que l'utilisation de parois déformables sur les tuyères ( C2 ) et ( D comme 190 présenté dans l'exemple de la figure 2.1, ou l'adjonction d'un noyau profilé ( K) ou ( K1. ) pouvant coulisser axialement dans P,es zones ( N), ( C2 ), et ( D ) et fixé
sur un arbre traversant l'une ou les deux extrémités du dispositif permettant de régler la position du noyau depuis l'extérieur comme dans les exemples des figures 2.2, 2.3, et 2.4.
L'exemple de la figure 2.1 concerne une tuyère de section circulaire à parois déformables; la 195 zone ( C2 ) et la zone ( D), sont constituées de lamelles d'acier flexibles se chevauchant et disposées régulièrement sur les génératrices du dispositif, et leurs extrémités sont soudées sur les rebords de la zone de transition ( N ) et de la chambre de tranquillisation ;
des colliers de serrage circulaires ou tout autre système tel que des vérins, etc., permettent de modifier la section centrale du dispositif, qui constitue alors le col des zones ( C2 ) et ( D).
200 Les autres éléments du dispositif sont identiques à ceux décrits dans la version de base 1.
L'exemple de réalisation représenté sur la figure 2.1 présente les mêmes performances que l'exemple précédent concernant le cas de base 1, avec la possibilité de modifier le débit et le taux de compression du gaz à comprimer.
L'exemple de la figure 2.2 concerne une tuyère de section rectangulaire; il est équipé d'un 205 système réglable constitué d'un noyau ( K) coulissant axialement dans les zones ( N), ( C2 ), et ( D), et dont l'axe est fixé sur un arbre traversant l'une ou les deux extrémités du dispositif; la position axiale du noyau ( K) peut être réglée manuellement ou automatiquement à partir de l'extérieur par un filetage disposé s'ur un palier, par un vérin externe, ou par tout autre système externe .
21o Les buses de pulvérisation sont réparties dans les zones ( N ) et ( C2 ).
Les autres éléments du dispositif sont identiques à ceux décrits dans la version de base 1 Le noyau ( K) est une pièce de section rectangulaire dont deux faces opposées parallèles à l'axe sont juxtaposées aux faces de la tuyère ; les deux autres faces du noyau ont un profil aérodynamique permettant de minimiser les pertes de charge du gaz à comprimer ; chacune 215 d'elles est constituée d'une partie amont ( K') de section constante ou croissante dans le sens d'écoulement du gaz, d'une partie aval ( K"') de section décroissante dans le sens d'écoulement du gaz, et d'une partie intermédiaire ( K") dont le profil continu, sans angle, assure le lien entre la génératrice de ( K') et celle de (:K'-) Les parties ( K"') du noyau ( K) coulissent dans le col compris entre la tuyère de 22o détente/refroidissement ( C2 ) et le divergent de détente adiabatique ( D).
Selon l'application recherchée pour le dispositif et selon les températures du gaz à comprimer à
l'entrée de la chambre d'admission ( C), le noyau ( K) peut être réalisé en acier au carbone pour des températures inférieures à 300 C, en acier inoxydable, en acier refroidi par circulation interne de fluide de refroidissement, en céramique, ou en tout autre matériau présentant une 225 bonne tenue à l'abrasion et aux terrrpératures ntises en o:uvre.
L'exemple de la figure 2.3 concerne un dispositif de section circulaire; il est équipé d'un système réglable constitué d'un noyau ( K) coulissant axialement dans les zones ( N), ( C2 ), et ( D), le noyau étant fixé sur un arbre traversant l'une ou les deux extrémités du dispositif ; la position axiale du noyau ( K) peut être réglée manuellement ou automatiquement à partir de 230 l'extérieur par un filetage disposé sur un palier, par un vérin externe, ou par tout autre système externe .
Les buses de pulvérisation sont réparties dans les zones ( N ) et ( C2 ).
Les autres éléments du dispositif sont identiques à ceux décrits dans la version de base 1 Le noyau ( K) est une pièce de révolution pleine dont le profil aérodynamique permet de 235 minimiser les pertes de charge du gaz à comprimer ; il est constitué d'une partie amont ( K') de section constante ou croissante dans le sens d'écoulement du gaz, d'une partie aval ( K"') de section décroissante dans le sens d'écoulement du gaz, et d'une partie intermédiaire ( K") dont la génératrice continue (sans angle) assure le lien entre la génératrice de ( K') et celle de ( K"') .
La partie (K"') du noyau ( K) coulisse dans le col compris entre la tuyère de 240 détente/refroidissement ( C2 ) et le divergent de détente adiabatique ( D).
Selon l'application recherchée pour le dispositif et selon les températures du gaz à comprimer à
l'entrée de la chambre d'admission ( C), le noyau ( K) peut être réalisé en acier au carbone pour des températures inférieures à 300 , en acier inoxydable, en acier refroidi par circulation interne de fluide de refroidissement, en céramique, ou en tout autre matériau présentant une bonne tenue 245 à l'abrasion et aux températures mises en oeuvre.
L'exemple de réalisation représenté sur la figure 2.3 montre un arbre traversant ( K ) et supporté
par un palier placé dans la chambre d'admission, et par un second palier en extrémité de la chambre de tranquillisation ( T), ce dernier incluant un filetage de réglage de position du noyau et des buses de pulvérisation.
250 Lors de l'écoulement du gaz à comprïmer dans le convergent de détente/refroidissement ( C2 ), l'espace libre compris entre ( K"') et ( C2 ) constitue une tuyère convergente qui assure le même rôle que la tuyère convergente de compression/ refroidissement ( C2 ) décrite dans la variante 1;
le col, c'est à dire la section de passage minimale de cette tuyère convergente est situé
légèrement en amont du col de sortie de ( C2 ), et sa section Ss peut être modifiée à tout moment 255 à partir de l'extérieur par ajustement de la position axiale du noyau ( K) .
Cet ajustement de la section Ss au col, accompagné d'un ajustement de débit du liquide pulvérisé, permet de modifier le débit du fluide à comprïmer, ou encore de modifier le taux de compression et le rendement énergétique du dispositif par modification de la température de réchauffage du gaz à l'entrée de la chambre d'admission .
260 L'exemple de réalisation représenté sur la figure 2.3 présente les mêmes performances que l'exemple précédent concernant le cas de base 1, avec les modifications suivantes pennettant d'ajuster le débit et le taux de compressïon du gaz à comprimer :
-Le diamètre de la zone de transition ( N) devient 0,45m, -Les diamètres d'entrée et de sortie de la tuyère convergente de détente/refroidissement ( C2 ) 265 deviennent respectivement 0,45m et. 0,22m , -Le diamètre d'entrée du divergent (:D ) devient 0,22m , -Rajout d'un noyau ( K) en acier inoxydable refroidi par circulation interne d'eau de diamètre maximum 0,3 m, de diamètre minimum O, lm en sortie de ( K"' ), et de longueur totale 1,0 m, avec filetage de réglage de positicm .
270 L'exemple de la figure 2.4 concerne lui aussi un dispositif de section circulaire; le principe est identique à celui de la variante 2.3, mais ici le noyau est installé en aval du dispositif.
Le dispositif est équipé d'un noyau ( K1 ) coulissant axialement dans les zones ( N), ( C2 ), ( D), et ( T), et dont l'axe est fixé sur un arbre traversant l'une ou les deux extrémités du dispositif ; la position axiale du noyau ( K1 ) peut être réglée manuellement ou automatiquement 275 à partir de l'extérieur par un filetage disposé sur un palier, par un vérin externe, ou par tout autre système externe .

s Les buses de pulvérisation sont réparties dans les zones ( N) et ( C2 ).
Les autres éléments du dispositif sont identiques à ceux décrits dans la version de base 1 Le noyau ( Ki ) est une pièce de révolution pleine dont le profil aérodynamique permet de 280 minimiser les pertes de charge du gaz à comprimer ; il est constitué d'une partie amont ( K' 1) de section croissante dans le sens d'écoulement du gaz, d'une partie aval ( K"' 1) de section constante ou décroissante dans le sens d'écoulement du gaz, et d'une partie intermédiaire (K"1) dont la génératrice continue, sans angle, assure le lien entre la génératrice de ( K' 1) et celle de (Kõ'1 ) 285 La partie ( K' 1) du noyau coulisse dans le col compris entre la tuyère de détente /
refroidissement ( C2 ) et le divergent de détente adiabatique ( D).
Selon l'application recherchée pour le dispositif et selon les températures du gaz à comprimer à
l'entrée de la chambre d'admission ( C), le noyau ( K1 ) peut être réalisé en acier au carbone pour des températures inférieures à 300 , en acier inoxydable, en acier refroidi par circulation 290 interne de fluide de refroidissement, en céramique, ou en tout autre matériau présentant une bonne tenue à l'abrasion et aux températures mises en oeuvre.
L'exemple de réalisation représenté sur la figure 2.4 montre un arbre traversant le noyau ( KI ) de part en part et reposant sur des paliers placés dans la chambre d'admission et dans la chambre de tranquillisation, ce dernier incluant un filetage de réglage de position .
295 Lors de l'écoulement du gaz à comprimer dans la zone ( C2 ), l'espace libre compris entre ( K1 ) et le conduit ( C2) constitue une tuyère convergente qui assure le même rôle que la tuyère convergente de compression/ refroidissement ( C2 ) décrite dans la version de base 1;; le col, c'est à dire la section de passage minimale en aval de cette tuyère convergente, est en général situé en aval du col de sortie de ( CZ ), et sa section Ss peut être modifiée à tout moment à partir 300 de l'extérieur par ajustement de la position axiale du noyau ( K1 ).
Cet ajustement de la section Ss au col, accompagné d'un ajustement de débit du liquide pulvérisé, permet de modifier le délbit, du fluide à comprimer, ou encore de modifier le taux de compression et le rendement énergétique du dispositif par modification de la température de réchauffage du gaz à l'entrée de la chambre d'admission.
305 A titre d'exemple de réalisation, lle dispositif représenté sur la figure 2.4 présente les mêmes performances que l'exemple de réalisation concernant le cas de base 1, avec les modifications suivantes permettant d'ajuster le débit et le taux de compression du gaz à
comprimer :
-Les diamètres d'entrée et de sortie de la tuyère convergente de détente/refroidissement ( C2 ) deviennent respectivement 0,60 m et 0,36 m, 310 -Le diamètre d'entrée du divergent ( D ) devient 0,36 m, et sa longueur devient 0,5 m -Rajout d'un noyau ( K) en acier inoxydable refroidi par circulation interne d'eau de diamètre maximum 0,35 m, de diamètre minimum 0,07 m à entrée de ( K') et à la sortie de ( K"' ), de longueur totale 1,0 m, supporté pitr un arbre de diamètre 70 mm reposant sur des paliers installés en ( C ) et en ( T), avec filetage de réglage de sa position .
315 -Le système de buses de pulvérisatioil est identique à celui de l'exemple de réalisation du cas de base 1, mais les tubes coulissants sont logés dans l'arbre support du noyau .

Une variante 3, concernant un écoulement supersonique dans la zone de refroidissement, est représentée sur la figure 3; elle permet d'améliorer le rendement énergétique du dispositif tel 32o que décrit dans la version de base ï par l'obtention d'une grande différence de température du fluide entre l'entée dans la chambre cl'admission ( C ) et la zone de refroidissement.
Les modifications par rapport à la version de base 1 concernent d'une part l'utilisation du convergent de détente ( C1 ) dans lequel le fluide à comprimer est systématiquement détendu jusqu'à la vitesse sonique, et d'autre part le remplacement de la zone de transition (N) et de la 325 tuyère ( C2 ) par une tuyère divergente de détente supersonique ( D1), suivie d'une zone de transition ( NT ), d'une tuyère convergente de compression/ refroidissement ( C3 ), et d'une tuyère convergente de compression adiabatique ( C4 ); le système de buses de pulvérisation ( R), identique à celui de la version de base 1, est installé dans la zone ( C3 ) et éventuellement, comme décrit par la suite, dans les zones ( D1 ) ou ( NT ).
) 33o La zone de transition ( NT ) assure une liaison continue entre les extrémités de ( D1 ) et ( 0 avec une génératrice à pente monotone, et sans angle.
Les autres éléments du dispositif sont identiques à ceux décrits dans la version de base 1.
Le fluide à comprimer est réchauffé en amont de la zone ( C )jusqu'à une température pouvant largement dépasser 1000 à 1500 C', puis détendu tout au long des zones ( C1 ) et ( Dl ) qui 335 constituent une tuyère convergente/ divergente de détente supersonique avec vitesse sonique au col jusqu'à une pression Pa une vitesse Va et une température Ta, et enfin comprimé avec élévation de température dans la tuyi;re convergente de compression/
refroidissement ( C3 ) avec, simultanément dans la même tuyère ( 0 ), prélèvement de chaleur par évaporation de liquide pulvérisé ; la tuyère convergente de compression adiabatique ( C4 ) permet de ramener le 340 fluide à la vitesse sonique avant sa compression adiabatique subsonique dans le divergent de compression adiabatique ( D) et son évacuation.
Le système de pulvérisation est constitué d'une série de buses dont les positions et/ou les débits peuvent être ajustés manuellement ou automatiquement à partir de l'extérieur, selon le même concept que dans la version de base l; le prélèvement de chaleur par évaporation des 345 gouttelettes pulvérisées peut être effectuée dans la zone ( D1 ), le cycle se rapprochant alors d'un refroidissement isobare, mais ce cas présente peu d'intérêt pratique : nous ne mentionnerons dans la suite du descriptif que le prélèvement de chaleur effectué dans les zones ( NT ) ou ( C3 ) avec un cycle se rapprochant d'une transformation isotherme, les buses de pulvérisation étant réparties dans la zone ( C3 ) et éventuellement, par anticipation, dans la zone de transition ( NT ) 350 pour tenir compte du temps de décalage entre la pulvérisation et l'évaporation.
Le rendement énergétique théorique du dispositif est d'autant plus élevé que la température du gaz à comprimer à l'entrée de ( C;) est élevé et que la température de détente Ta est basse, cette dernière restant cependant supérieure à la température de saturation Ts du gaz vis-à-vis du liquide pulvérisé car la différence de température DT=Ta-Ts est nécessaire pour l'évaporation du 355 liquide pulvérisé à l'entrée des zor-e.s ( NT ) et ( 0 ); dans le cas particulier où Ta est inférieur à
Ts, l'évaporation du liquide pulvérisé, et donc le prélèvement de chaleur dans le gaz à

comprimer, ne commencera en ( 0 ) que lorsque, sous l'effet de la compression, la température réelle du gaz aura dépassé sa température de saturation.
L'évaporation du liquide pulvérisé et le prélèvement de chaleur dans les zones ( NT ) et ( C3 ) 360 seront d'autant plus rapides que les gouttelettes pulvérisées sont de petite dimension, et que la différence de température DT=Ta-I's est élevée, avec comme conséquence directe une diminution de la longueur de ( C3 ) et une diminution de la perte de charge du gaz à comprimer à
travers ( 0 ); dans la pratique, des dimensions de gouttelettes de l'ordre de

5 à 30 m, et des écarts de température DT=Ta-Ts de l'ordre de 10 C à 100 C, conduisent à des dimensions du 365 dispositif et à des pertes de charge du gaz à travers ( C3 ) tout à fait acceptables.
Le dimensionnement du dispositif clépend bien évidemment en premier lieu du débit et des caractéristiques du gaz à comprimer, ainsi que de la pression de sortie recherchée ; ces critères étant fixés, les choix de la température de réchauffage du gaz en amont de ( C), du taux de détente à travers ( C1 ) et ( C2 ), et des dimensions des gouttelettes, résultent d'un compromis 370 entre les équipements standards disponibles sur le marché : types de buses de pulvérisation, matériaux, etc ..., et entre les dimensions et le prix du dispositif, et son rendement énergétique.
A titre d'exemple de réalisation, ran compresseur d'air constitué d'un dispositif selon la figure 3 permet de comprimer de 1 bar A à 1,5 bar A près de 20000 Nrn3 par heure d'air, à partir des éléments suivants :
375 -Une aspiration d'air de diamètre iritérieur 0,47 m en acier au carbone revêtu intérieurement de béton réfractaire avec un compresseur primaïre de démarrage capable de développer une -surpression de 500 mbar et un briuleur fonctionnant au gaz naturel et permettant de réchauffer l'air à 1000 C , -une chambre d'admission ( C ) de diamètre 0,97 m et de longueur 1,16 m, 380 -une tuyère convergente de détente subsonïque ( C',1 ) de diamètre au col voisin de 0,295 m, et de longueur 0,670 m, -une tuyère divergente de détente supersonique ( D1 ) de diamètre d'entrée voisin de (),295 m de diamètre de sortie voisin de 0,388 ni, et de longueur 0,2 m dans laquelle l'air est détendu jusqu'à 0,1 barA à près de 370 C:' et 1160m/s, 385 -une tuyère convergente de compre.ssion/refroidissement ( C3 ) et une tuyère convergente de compression adiabatique ( C4 ) de diamètre d'entrée voisin de.0,388 m, de diamètre au col voisin de 0,209 m, et de longueur 1 m, -un divergent de compression adiabatique ( D) de diamètre d'entrée 0,209 m, de diamètre de sortie voisin de 0,7 m, et de longueur lm, 390 -une chambre de tranquilisation ( T) de diamètre 0,7 m et de longueur 0,84 m, - un système de buses de pulvérisation à ultra-sons avec assistance à l'air comprimé, capable de pulvériser 1,22 kg par seconde d'eau, avec un diamètre de gouttelettes voisin de 5 m, -un échangeur thermique permettant de refroidir l'air comprimé à la sortie de ( T), et de réchauffer l'air avant son entrée clans ( C) à près de 480 C .
395 La chambre d'admission ( C) est réalisée en acïer au carbone revêtu intérieurement de béton réfractaire, tandis que ( C1 ), ( D1), ( C3 ), ( C4 ), ( D), et ( T ) sont réalisés en acier au carbone ~~. . ., à double enveloppe refroidie par circulation de l'air à comprimer avant son entrée à l'aspiration d'air ; les buses de pulvérisation à ultra-sons, installées sur -et alimentées par- un système de tubes coulissants concentriques en acier au carbone de diamètre extérieur 40 mm traversant la 400 chambre d'admission, sont réparties dans ( C3) Une variante 4, concernant elle aussi un écoulement supersonique, est représentée sui= la figure 4 ; elle découle de la variante 3 et permet d'en simplifier le concept en remplaçant le système de buses de pulvérisation réparties le long de l'axe du dispositif par une buse axiale unique ou par 405 des buses radiales, placée(s) à l'entrée de la zone ( 0 ) ou dans la zone de transition (NT ), cette dernière disposition permettant d'anticiper le décalage de temps entre la pulvérisation et l'évaporation du liquide injecté; le débit et la position axïale de ces buses peuvent être réglés manuellement ou automatiquement à partir de l'extérieur du dispositif.
Les autres éléments du dispositif sont identiques à ceux décrits pour la variante 3.
410 La figure 4 représente un exemple de réalisation avec une buse unique située sur l'axe du dispositif, à l'extrémité d'un arbre traversant la chambre d'admission, et dont le débit et la position peuvent être réglés manuellement ou automatiquement à partir de l'extérieur ; la figure 4.1 représente un autre exemple de ré.alisation avec plusieurs buses axiales du même type, et la figure 4.2 représente un troisième exemple de réalisation avec des buses à
débit réglable 415 disposées sur des ailettes radiales. 1( 'exemple de la figure 4, qui est le plus pratique, sera seul mentionné dans le reste du descriptif.
Dans cette variante, la totalité du débit de fluide pulvérisé est injecté en début du cycle de prélèvement de chaleur, dans la zone ( NT ) ou à l'entrée de ( 0 ); Le gaz à
comprimer est rapidement saturé à l'entrée de ( C3 ) par l'évaporation d'une partie des gouttelettes, le reste des 420 gouttelettes restant en suspension daits le flux gazeux ; à mesure de son avancée dans la tuyère de compression/ refroidissement ( C_3 ), le gaz est comprimé avec élévation de sa température et éloignement de l'état de saturation précédent, ce qui permet la vaporisation supplémentaire de gouttelettes ; cet équilibre continu permet d'extraire de la chaleur du gaz à
comprimer tout au long de la zone ( 0 ) ou jusqu'à l'évaporation totale des gouttelettes injectées, et ceci en 425 maintenant le gaz à comprimer daris un état très proche de sa saturation tout au long de l'axe de ( 0 ); en chaque point de cet axe, la différence de température DT entre la température réelle du gaz et sa température de saturation s'équilibrera à son minimum, en fonction des dimensions des gouttelettes et des coefficients d'échange thermique et de diffusion gazeuse ; la variante 4 permet donc d'optimiser le cycle tNYermodynamique du dispositif en maintenant la source froide à
430 la température minimale compatible avec le processus .
A titre d'exemple de réalisation, le dispositif représenté sur la figure 4 comporte les mêmes éléments et présente les mêmes performances que l'exemple de réalisation de la variante 3, à
l'exception du remplacement du système de buses de pulvérisation par une buse axiale unique.

435 Une variante 5, concernant un écoulement supersonique, découle des variantes 3 ou 4 et permet de régler à tout moment le débit du gaz à comprimer, le taux de compression, et le rendement énergétique du dispositif ; dans cette variante, le convergent (Cl) et le divergent ( D1) des variantes 3 et 4 sont remplacées par une tuyère convergente suivie d'une tuyère divergente les deux à géométries variables, ce qul permet d'ajuster la section du col compris entre ces deux 440 tuyères ; le système de géométrie variable, commandé depuis l'extérieur du dispositif; est obtenu par tout mécanisme permettant de modifier la section de passage du col compris entre (C1) et (Dl) tels que ceux décrits dans les exemples ci-après .
Dans l'exemple de la fgure 5, le système à géométrie variable est obtenu par remplacement de (Cl) et ( Dl) par une tuyère convergente (CG) à géométrie variable, suivie d'une zone de 445 transition optionnelle (NT1) puis d'une tuyère divergente (DG) à géométrie variable elle aussi, les trois à parois déformables de façon à modifier la section du col compris entre les deux tuyères ; le système de parois défo:rmable peut être du même type que celui décrit au chapitre 2.1 et représenté sur la figure 2.1 par exemple .
Selon les conditions d'utilisation du dispositif, la tuyère ( DG ) peut être équipée d'un système 450 de géométrie variable lui permettant aussi d'être légèrement convergente, afin de faciliter la mise en service du dispositif dans des conditions subsoniques .
La zone de transition ( NT1) assure une liaison continue entre les extrémités de ( CG ) et ( DG ) avec une génératrice à pente monotone, et sans angle .
La vitesse du gaz à comprimer devant être sonique dans le premier col du dispositif et dans le 455 second dans la mesure du possible., cette possibilité de modifier sa section permet de rendre indépendants l'un de l'autre la température et le débit du gaz à comprimer en sortie de la chambre d'admission, tout en respectant la contrainte d'écoulement sonique dans ce col ; ceci permet de modifier soit le débit du gaz à comprimer, soit sa température à
l'entrée du premier col -et éventuellement le débit de liquide pulvérisé, ce qui entraîne une modification du taux de 460 compression du dispositif et de son rendement - soit les deux simultanément.
Les autres éléments du dispositif sont identiques à ceux décrits dans les variantes 3 ou 4.
Dans l'exemple préférentielle de la figure 5.1, la tuyère divergente de détente supersonique (Dl) des variantes 3 ou 4, est remplacée par un système réglable constitué
d'une zone de transition optionnelle ( NT') suivie d'un conduit (N2) légèrement divergent de préférence, avec 465 adjonction d'un noyau profilé ( K:!) coulissant axialement dans le convergent de détente subsonique ( C1 ), dans la zone de transition ( NT'), et dans le conduit ( N2 ) ; le noyau est fixé
sur un arbre traversant par exemple l'une ou les deux extrémités du dispositif ; la position axiale du noyau ( K2 ) peut être réglée manuellement ou automatiquement à partir de l'extérieur du dispositif par un filetage disposé sur un palier, par un vérin externe, ou par tout autre système le 470 permettant .
Le système de pulvérisation peut ëtre logé dans la zone ( NT ), dans la zone ( C3 ), ou en extrémité aval de ( K'2) : voir ci-après.
Le noyau ( K2 ) est une pièce dont le profil aérodynamique permet de minimiser les pertes de charge du gaz à comprimer ; il est constitué d'une partie amont (K'2) de section constante ou 475 croissante dans le sens d'écoulement du gaz, d'une partie aval (K"'2) de section décroissante . 13 dans le sens d'écoulement du gaz, et d'une partie intermédiaire ( K"2) dont la génératrice continue sans angle assure le lien entre la génératrice de (K'2) et celle de (K"'2) .
La partie( K'2) du noyau (K2) est logée dans le convergent de détente subsonique (C1), dans la zone de transition (NT'), et dans le conduit (N2) .
480 Selon l'application recherchée pour le dispositif et selon les températures du gaz à comprimer à
l'entrée de la chambre de combustion ( C ), le noyau (K2) peut être réalisé en acier au carbone pour des températures inférieures à 300 , en acier inoxydable, en acier refroidi par circulation interne de fluide de refroidissement, en céramique, ou en tout autre matériau présentant une bonne tenue à l'abrasion et aux températures mises en oruvre.
485 L'exemple de réalisation représenté sur la figure 5.1 montre un noyau (K2 ) supporté par un arbre qui le traverse axialement, reposant lui-même sur un palier placé dans la chambre d'admission incluant un filetage de réglage de position; dans cet exemple, une buse de pulvérisation unique est installée en extrémité aval de la partie (K"'2) du noyau (K2) .
Lors de l'écoulement du gaz à comprimer dans le convergent de détente (C1), l'espace libre 490 compris entre (K'2) et (C1) constitue une tuyère convergente de détente subsonique qui assure le même rôle que la tuyère convergente de détente subsonique (C1) des variantes 4 ou 5, et l'espace libre compris entre (K'2 ), (NT'), et (N2) constitue quand à lui une tuyère divergente de détente supersonique qui assure le même rôle que la tuyère (D1) des variantes 3 ou 4 ;
le col, c'est à dire la section de passage minimale entre ces deux tuyères de la figure 5.1, est généralement situé
495 entre la section maximale de ( K2 ) et la section de sortie de (Cl), et sa section S's peut être modifiée à tout moment à partir de l'extérieur par ajustement de la position axiale du noyau (K2).
Selon les conditions d'utilisation du dispositif, le conduit (N2) peut être légèrement convergent, afin de faciliter la mise en service du dispositif dans des conditions subsoniques .
500 A titre d'exemple de réalisation, un dispositif selon la figure 5.1 présente les mêmes performances que l'exemple de réalisation concernant la variante 4, avec les modifications suivantes permettant d'ajuster le débit et le taux de compression du gaz à
comprimer :
-Remplacement du divergent de détente supersonique (D1) par une zone de transition (NT) et un conduit divergent (N2), l'ensemble présentant un diamètre d'entrée voisin de 0,295 m, un 505 diamètre de sortie voisin de 0,388 rn, et une longueur de 0,2 m; l'air y étant détendu à 0,1 bar A; la zone de transition (NT') et le divergent (N2) sont réalisés en acier au carbone à double enveloppe, - Rajout d'un noyau (K2) en acier inoxydable refroidi par circulation interne d'eau de diamètre maximum 0,293 m, de diamètre aninimum 0,04 m à entrée de (K'2) et à la sortie de (K "2), de 510 longueur.totale 0,9 m, supporté par un arbre de diamètre 40 mm reposant sur un palier installé
en (C ) , avec filetage de réglage de sa position .

-La buse de pulvérisation est identique à celle de l'exemple de réalisation de la variante 4, mais le tube coulissant permettant de l'alimenter en eau est logé dans l'arbre support du noyau (K2) VARIANTE 6 515 Une variante 6, concernant un écoulement supersonique, découle des variantes 3 ou 4 décrites ci-dessus et permet elle aussi de modifier à tout moment le taux de compression et/ou le rendement du dispositif, tout comme la variante 5; elle permet par ailleurs de supprimer ou de déplacer vers la sortie du dispositif les éventuelles ondes de pression ou ondes de choc pouvant dans certains cas se développer dans les zones (L)l ), (NT), ou (C3 ) des variantes 3 ou 4;
le principe de cette 520 variante est identique à celui de la variante 5, mais la géométrie variable concerne le second col du dispositif ; dans cette variante, les zones (C3 ), (C4 ), et (D ) des variantes 3 et 4 sont remplacées par un système à géométrie variable commandé depuis l'extérieur du dispositif et permettant de modifier la section du col compris entre (C3 ) et (D ); le système de géométrie variable est obtenu par tout mécanisme permettant de modifier la section de ce col, tels que ceux 525 décrits dans les exemples ci-après .
Dans l'egemple de la figure 6, le système de géométrie variable est obtenu par remplacement de (C3 ), (C4 ), et (D ) par une tuyère (CG1) à parois déformables pouvant être réglée pour être de préférence légèrement divergente lors de la mise en service du dispositif puis convergente par la suite, cette tuyère faisant alors office de tuyère convergente de détente/refroidissement (C3 ) et 530 de tuyère convergente de compression adiabatique (C4 ); (GC1) est suivie d'une tuyère (DG1) divergente à parois déformables elYe aussi, la tuyère (DG1) fait alors office de tuyère divergente de compression adiabatique (D) . Le système de parois déformables peut être du même type que celui décrit au chapitre 2.1 et représenté sur la figure 2.1 par exemple .
La vitesse du gaz à comprimer devant de préférence être sonique dans le second col du dispositif, 535 cette possibilité de modifier sa section permet de rendre indépendants l'un de l'autre la température, la pression, et le débit du gaz comprimé en sortie du convergent de détente adiabatique, tout en respectant la contrainte d'écoulement sonique dans ce col ; ceci permet de modifier soit le débit du gaz à comprimer soit sa température à l'entrée du second col -par modification de la température dans (C ) ou par modification du débit de liquide pulvérisé, ce qui 540 entraine une modification du taux de compression du dispositif et de son rendement - soit les deux simultanément.
Enfin, lors de la mise en service du dispositif, la première tuyère à
géométrie variable est maintenue dans une position légèrement divergente, jusqu'à ce que le taux de compression du dispositif soit suffisamment élevé pour que l'onde de pression pouvant se développer dans (D1) 545 se soit déplacée dans la seconde ttayére divergente (DG); après cette évacuation de l'onde de pression, les deux tuyères à géométrie variable peuvent prendre progressivement leur= position de service, l'onde de pression s'éloignant vers la sortie du dispositif à mesure que les deux tuyères à
géométrie variable se rapprochent de leur position de service .
Les autres éléments du dispositif sont identiques à ceux décrits dans les variantes 3 ou 4.
550 Dans l'exemple préférentielle de la figure 6.1, la tuyère convergente de compression/
refroidissement (C3 ) et la tuyère convergente de compression supersonique adiabatique ( C4 ) 1 . 1 i . ~d des variantes 3 ou 4 sont remplacées par un conduit (N3 ) légèrement divergent de préférence, avec un diamètre d'entrée légèrement supérieur à celui de (D1) de préférence, à l'intérieur duquel peut coulisser axialement un noyau profilé (K3 ) fixé sur un arbre traversant par exemple 555 une ou les deux extrémités du dispositif et permettant de régler la position de (K3 ); la position du noyau ( K3 ) peut être réglée manuellement ou automatiquement à partir de l'extérieur du dispositif par un filetage disposé sur un palier, par un vérin, ou par tout autre système exteme le permettant .
La buse de pulvérisation est logée dans la zone (NT) ou (N3) 560 Dans un concept plus simplifié, le conduit divergent (D) et éventuellement la chambre de tranquillisation (T) peuvent être simplement constitués par un prolongement du conduit faiblement divergent (N3).
Les autres éléments du dispositif sont identiques à ceux décrits dans les variantes 3 ou 4.
Le noyau (K3) est une pièce dont le profil aérodynamique permet de minimiser les pertes de 565 charge du gaz à comprimer; il est constitué d'une partie amont (K'3) de section croissante dans le sens d'écoulement du gaz, d'une partie aval (K"'3) de section constante ou décroissante dans le sens d'écoulement du gaz, et d'une partie intermédiaire (K"3) dont la génératrice continue, sans angle, assure le lien entre la génératrice de (K'3) et celle de (K"'3) .
La partie (K'3) du noyau (K3) est logée dans le conduit (N3).
570 Selon l'application recherchée pour le dispositif et selon les températures du gaz à comprimer en sortie du divergent de détente super'sonique (Dl), le noyau (K3) peut être réalisé en acier au carbone pour des températures inférieures à 300 , en acier inoxydable, en acier refroidi par circulation interne de fluide de refroidissement, en céramique, ou en tout autre matériau présentant une bonne tenue à l'abrasion et aux températures mises en oeuvre.
575 L'exemple de réalisation représenté sur la figure 6.1 montre un arbre traversant le noyau ( K3 ) de part en part et reposant sur des paliers placés dans la chambre d'admission et dans la chambre de tranquillisation, ce dernier incluant un moteur de réglage de position ;la buse de pulvérisation est placée en extrémité d'un tube coulissant sur l'arbre.
Lors de l'écoulement du gaz à comprimer dans le conduit (N3), l'espace libre compris entre 580 (K'3) et le conduit (N3) constitue une tuyère convergente qui assure le même rôle que la tuyère convergente de compression/ refroidissement (C3 ) et la tuyère convergente de compression adiabatique supersonique (C4 ) des variantes 3 ou 4, et l'espace libre compris entre (R:'3 ) et (D ) constitue une tuyère divergente qui assure le même rôle que la tuyère convergente de compression adiabatique (D ) décrites dans les variantes 3 ou 4 ; le col, c'est à dire la section de 585 passage minimale entre de ces deux tuyères, est en général situé entre la sortie du conduit (N3) et le diamètre maximum de (K"3), et sa section Ss peut être modifiée à tout moment à partir de l'extérieur par ajustement de la position axiale du noyau( K3) ; cet ajustement de la section au col permet :
- Lors de la mise en service : de retirer entièrement le noyau (K3) du conduit (N3) de façon à
590 ce que l'onde de pression initiale, qui peut se développer en régime supersonique dans une tuyère divergente lorsque la surpression fournie par le compresseur primaire de démarrage 31~ ~~ lec~

est suffisamment élevée, se situe en aval de la sortie du conduit (N3 ); cette surpression ainsi que le diamètre maximum de (K3 ) sont sélectionnés de façon à ce que, lorsque le noyau ( K3 ) est introduit progressivement dans le conduit (N3), la zone où
se.trouve l'onde 595 de pression reste toujours divergente et que l'onde de pression y stationne jusqu'à ce que (K3) trouve sa place définitive dans (N3) .
- En cours de fonctionnement noi7n.al : de rendre indépendants l'un de l'autre la température, la pression, et le débit du gaz à,comprimer en sortie du second col, ce qui confère au dispositif les mêmes avantages que ceux de l'exemple de la figure 6:
possibilité de réglage du 600 débit, du taux de compression, <:-u du rendement .
A titre d'exemple de réalisation, uri dispositif selon la figure 6.1 présente les mêmes performances que l'exemple de réalisation concernant la variante 4, les modifications suivantes permettant d'ajuster le débit et le taux de compression du gaz à
comprimer :
-Remplacement des tuyères convergentes ( 0 ) et ( C4 ) par un conduit ( N3 ), présentant un 605 diamètre d'entrée voisin de 0,388 m, un dïamètre de sortie voisin de 0,390 m, et une longueur de 1,0 m; le conduit ( N3 ) est réalisé en acier au carbone à double enveloppe, -Remplacement du divergent ( D ) de diamëtre d'entrée 0,209 m par un divergent ( D ) de même conception mais de diamètre d'entrée 0,390 m, - Rajout d'un noyau ( K3 ) en acier inoxydable refroidi par circulation interne d'eau de diamètre 610 maximum 0,388 m, de diamètre niinimum 0,04 m à entrée de ( K'3) et à la sortie de (K'3 ), de longueur totale 1,2 m, supporté par un arbre de diamètre 40 mm reposant sur un palier installé
en ( T) avec filetage de réglage de sa position, et sur un second palier installé en extrémité de (C), -La buse de pulvérisation est identique à celle de l'exemple de réalisation de la variante 4, mais 615 le tube coulissant permettant de l'alimenter en eau est logé dans l'arbre support du noyau (K3).

Une variante 7, concernant un écoulement supersonique, résulte de l'application simultanée des variantes 5 et 6 sur un même dispositif, et permet de régler depuis l'extérieur indépendamment 620 l'une de l'autre et à tout moment les sections des deux cols du dispositif, et donc de inodifier le débit de gaz à comprimer, le taux de compression du dispositif, et son rendement énergétique, tout en permettant elle aussi de supprimer ou de déplacer vers sa sortie les éventuelles ondes de pression ou ondes de choc pouvant dans certains cas se développer dans les divergents supersoniques des variantes 3, 4, ou 'i ; dans cette variante, les zones ( 0 ), ( C4 ), et ( D ) de la 625 variante 5, sont remplacées comme pour la variante 6 par une tuyère à
géométrie variable pouvant être réglée pour être légèrement divergente lors de la mise en service du dispositif puis convergente par la suite, suivie d'une tuyère divergente à géométrie variable ; le diamètre du col entre les deux tuyères peut s'adapter en permanence au diamètre du premier col du dispositif, c'est à dire au débit et aux conditions physiques du gaz à comprimer à
l'admission, ainsi qu'aux 630 conditions physiques en sortie du clispositif, c'est à dire au débit de liquide pulvérisé, donc au taux de compression et au rendement du dispositif .

Les autres éléments du dispositif sont identiques à ceux décrits dans les variantes 5 cette variante présente donc les avantages combinés des variantes 5 et 6.
Dans l'exemple de la figure 7, les systèmes de géométrie variable sont obtenus par l'utilisation 635 de tuyères à parois déformables du même type que celui décrit au chapitre 2.1 et représenté sur la figure 2.1 par exemple.
Dans l'exemple préférentieUe de la figure 7.1, la tuyère convergente de compression/
refroidissement ( C3 ) et la tuyère convergente de compression supersonique adiabatique (C4 ) de la figure 5.1 sont remplacées par un conduit ( N3 ) de préférence légèrement divergent, avec 640 un diamètre d'entrée légèrement supérieur à celui de ( D1 ) de préférence, à l'intérieur duquel peut coulisser axialement un noyau ( K3 ) dont l'axe est fixé sur un arbre traversant par exemple l'une ou les deux extrémités du dispositif ; la position axiale du noyau ( K3 ) peut etre réglée manuellement ou automatiquement à partir de l'extérieur du dispositif par un filetage disposé sur un palier, par un vérin externe, ou par tout autre système externe le permettant.
645 Dans un concept plus simplifié, les zones ( N2 ), ( NT ), ( N3 ), ( D ) et ( T ) peuvent ètre regroupés en un seul conduit de section légèrement divergente.
Le noyau ( K3 ) est une pièce de révolution pleine dont le profil aérodynamique permet de mininiiser les pertes de charge du g;az à comprimer; il est constitué d'une partie amont ( K'3 ) de section croissante dans le sens d'écoulement du gaz, d'une partie aval ( K'3 ) de section 650 constante ou décroissante dans le sens d'écoulement du gaz, et d'une partie intermédiaire (K"3) dont la génératrice continue, sans angle, assure le lien entre la génératrice de (K'3) et celle de (K"'3).
La partie ( K'3 ) du noyau ( K3 ) est logée dans le conduït ( N3 ).
La buse de pulvérisation est logée dans l'une des zone ( N2 ), ( NT ), ou ( N3 ), entre ( K'2 ), 655 extrémité aval de (K2), et (K'3), extrémité amont de ( K3 ).
Les autres éléments du dispositif sont identiques à ceux de la variante 5.
Selon l'application recherchée pour le dispositif et selon les températures du gaz à comprimer en sortie du divergent de détente supersonique (D 1), le noyau ( K3 ) peut être réalisé en acier au carbone pour des températures inférieures à 300 , en acïer inoxydable, en acier refroidi par 660 circulation interne de fluide de refroidissement, en céramique, ou en tout autre matériau présentant une bonne tenue à l'abrasion et aux températures mises en oeuvre.
L'exemple de réalisation représenté sur la figure 7.1 montre un arbre traversant de part en part le noyau ( K2 ) et le noyau ( K3 ), et reposant sur des paliers placés dans la chambre de combustion et dans la chambre de tranquillisation ; chaque palier inclut un moteur permettant de régler la 665 position axiale de chacun des noyaux, et la buse de pulvérisatïon est installée directement sur l'extrémité aval de ( K'2).
Comme dans l'exemple de la figure 5.1, l'espace libre compris entre ( K2), ( C1 ), (NT' ), et ( N2 ) comporte un premier col de section S's réglable à partir de l'extérieur par ajustement de la position axiale du noyau ( K2) .

a~t -67o De même, comme dans l'exemple de la figure 6.1,1'espace libre compris entre ( K3 ), ( N3 ), et ( D) comporte un second col de section Ss réglable à partir de l'extérieur par ajustement de la position axiale du noyau ( K3 ).
Ces possibilités d'ajustement de la section de chaque col confèrent à
l'exemple de la figure 7.1 les avantages combinés des exemples des figures 5.1 et 6.1 décrits ci-dessus .
675 A titre d'exemple de réalisation, un dispositif selon la figure 7.1 permettant de comprimei= près de 20 000 Nm3 d'air de 1 bar A à 2,5 bar A, et permettant d'ajuster le débit et le taux de compression du gaz à comprimer, peut être obtenu en apportant les modifications suivantes à :
l'exemple de réalisation de la variante 5:
-Remplacement de ( NT' ) et ( N2 ) par une tuyère divergente de même diamètre d'entrée mais 680 de longueur 1,5 m et de diamètre cle sortie voisin de 1,034 m, permettant de détendre: l'air à
0,004 bar A.
-Remplacement des tuyères convergentes ( C3 ) et ( C4 ) par un conduit ( N3 ), présentant un diamètre d'entrée voisin de 1,034 m, un diamètre de sortie voisin de 1,036 m, et une longueur de 2,07 m; le conduit ( N3 ) est réalisé en acier au carbone à double enveloppe, 685 -Remplacement du divergent ( D ) cle diamètre d'entrée 0,209 m par un divergent ( D) de même conception mais de diamètre d'entrée égal à 1,036 m, de diamètre de sortie égal à 1,176 m, et de longueur 2,0 m, -Remplacement de la chambre ( T ) par une chambrè de même conception, mais de diamètre 1,176 m et de longueur 1,41 rn, 690 - Rajout d'un noyau ( K3 ) en acier inoxydable refroidi par circulation interne d'eau de diamètre maximum 1,034 m, de diamètre minimum 0,06 m à entrée de ( K'3) et à la sortie de ( K'3 ), de longueur totale 3,1 m, supporté par un arbre de diamètre 60 mm reposant sur un palier installé en (T ) avec filetage de réglage de sa position, sur un second palier installé en ( C), et sur un troisième palier intermédiaNre! , 695 -La buse de pulvérisation est de coriception identique à celle de l'exemple de réalisation de la variante 4, mais le débit d'eau pulvérisé est réduit à 1,0 kg par seconde et la buse est alimentée par un tube coulissant logé dans 1'arbre support du noyau ( K3 ).

Une variante 8, concernant les buses de pulvérisation de l'option de base 1 ou des variantes 2 à 7 700 décrites ci-dessus, est représentée sur la figure 8 elle consiste à
utiliser comme fluide d'assistance à la pulvérisation une pa}rtie du gaz comprimé généré par le dispositif, ou de la vapeur générée par récupération de chaleur sur le gaz comprimé en aval de la chambre de tranquillisation . Cette variante permet de réduire la dimension des gouttelettes de liquide pulvérisé et d'accroître leur vitesse initiale sans apport supplémentaire d'énergie mécanique 705 externe, et donc d'améliorer le rendement énergétique du dispositif.
L'exemple de la figure 8 concerne Ue même type d'installation que celui de la figure 7.1, mais il est équipé d'une assistance à la pulvérîsation à partir d'air comprimé prélevé
en sortie du dispositif.

A titre d'exemple de réalisation, un dispositif selon la figure 8 permettant de comprïmer près 71o de 20 000 Nm3 d'air de 1 bar A à2,5 bar A, et penmettant d'ajuster le débit et le taux de compression du gaz à comprimer, peut être obtenu en apportant les modifications suivantes à
l'exemple de réalisation de la variante 7:
-Le diamètre de sortie de ( C1 ) devient 0,322 m -Remplacement de (NT') et (N2) par une tuyère divergente de même conception mais de 715 diamètre d'entrée 0,322 m, de diamètre de sortie 1,042 m, et de longueur 1,439 m permettant de détendre l'air à 0,004 bar A
-Remplacement du conduit ( N3 ) par un nouveau conduit de même conception mais de diamètre d'entrée voisin de 1,042 m, de diamètre de sortie voisin de 1,044 m, et de longueur de 2,086 m, 720 -La pulvérisation est assistée par l'utilisation de 0,26 kg/seconde de mélange air comprimé-vapeur prélevé en sortie du dispositif, -Le débit d'eau pulvérisé est réduit à 0,61 kg/seconde -Remplacement du noyau ( K3 ) par un nouveau noyau de diamètre maximum 1043 mm, de diamètres minimums 137 mm en extrémités de ( K'3 ) et ( K'3 ), et de longueur 3,1 m, 725 supporté par un arbre de diamètre 140 mm à l'intérieur duquel circulent l'eau de pulvérisation et l'air d'assistance à la pulvérisation Une variante 9, concernant les buses de pulvérisation de l'option de base 1 ou des variantes 2 à 8 décrites ci-dessus, est représentée sur la figure 9; elle consiste à
réchauffer le liquide utilisé dans 730 les buses de pulvérisation avant son introduction dans les buses, par utilisation de la chaleur récupérée sur le gaz comprimé en aval de la chambre de tranquillisation ( T), la récupération pouvant aller éventuellement jusqu'à la condensation de la vapeur de liquide pulvérisé; lors de la détente du liquide à pulvériser, cette surchauffe permet de réduire la dimension des gouttelettes et d'accroître leur vitesse initiale en minimisant l'apport d'énergie mécanique externe, et donc 735 d'améliorer le rendement énergétique du dispositif.
Si nécessaire, à défaut ou en complément de cette chaleur récupérée en aval de la chambre de tranquillisation, toute autre source de chaleur interne au dispositif, telle que chaleur récupérée dans les doubles enveloppes,..ou dia chaleur externe au dispositif, peut être utilisée.
L'exemple de la figure 9 concerne le même type d'installation que celui de la figure 8, dans 740 lequel le liquide à pulvériser est au préalable réchauffé dans un échangeur thermique installé sur la ligne d'évacuation du gaz comprinaé .
A titre d'exemple de réalisation, un dispositif selon la figure 9 présentant les mêmes dimensions et les mêmes performances que l'exemple de réalisation de la variante 8, avec en sus une température de sortie de l'air comprimé augmentée de 20 C, peut être obtenu en rajoutant 745 sur la ligne d'évacuation un échangeur thermique ( E' 1) permettant de préchauffer à 40 C l'eau de pulvérisation .

3J/~~~o( Une variante 10 concerne l'installation en parallèle ou en série de plusieurs des dispositifs décrits dans l'option de base 1 et les variantes 2 à 9 afin d'en faciliter la réalisation, d'atteindre des taux 750 de compression ne pouvant pas être; atteints par un dispositif unique, d'améliorer le rendement global de l'installation, ou encore de faciliter la mise en service de l'installati,on ; les dispositifs peuvent être distincts les uns des autres comme dans l'exemple de la figurel0 décrit ci-après, ou imbriqués l'un dans l'autre comme dans l'exemple de la figure 10.1 qui concerne deuK
dispositifs installés en parallèle dans une même enveloppe, ou comme dans les exemples des 755 figures 10.2, 10.3, et 10.4 où deux dispositifs selon les revendications 2 et 9 sont installés en série et imbriqués l'un dans l'autre avec ligne d'aspiration, chambre d'admission ( C), convergents ( C1) et ( C2), et noyau d'entrée commun faisant office de noyau (K) pour le premier dispositif subsonique et de noyau ( K2 ) pour le second dispositif supersonique.
L'exemple de la figure 10 permet la mise en service d'un dispositif de compression d'air 760 supersonique à taux de compression élevé, à l'aide d'un compresseur de démarrage peu performant. II est constitué de deux dispositi.fs distincts installés en série : un premier dispositif sonique selon la figure 2.3 avec noyau amont permettant un réglage de débit d'air et dont la ligne d'aspiration inclut un filtre, un si,lencieux, un compresseur, et un brûleur aù fioul, suivi par un.dispositif aval supersonique selon la figure 9 avec noyaux amont et aval dont la ligne 765 d'aspiration inclut un échangeur de réchauffage d'air à l'aide d'un fluide thermique ; la ligne d'évacuation du dispositif aval inclut un échangeur de récupération permettant de réchauffer le fluide thermique suivi d'un second échangeur de récupération permettant de réchauffer l'eau de pulvérisation .
Le premier dispositif amont n'est utilisé que lors de la mise en service de l'installation, pour 770 assurer une surpression suffisante pour permettre le démarrage du second dispositif, après quoi le premier est arrêté .
Le second dispositif aval selon la figure 9, utilisé en marche normale et devant donc être performant, inclut en sus un récupérateur de chaleur permettant de réchauffer l'air à l'admission, un second récupérateur permettant de réchauffer l'eau de pulvérisation, et une assistance à la 775 pulvérisation par utilisation d'air coniprimé prélevé en sortie de l'installation.
L'exemple de la figure 10.1 permet la réalisation d'un compresseur de très grande capacité par l'utilisation en parallèle de deux dispositifs identiques à celui représenté
sur la figure 8; les deux dispositifs installés en parallèle sorit imbriqués l'un dans l'autre, les noyaux de chacun d'entre eux étant installés dans une enveloppe commune ; cette disposition permet de réduire les 78o dimensions des noyaux, qui deviendraient trop importantes sur un dispositif unique de très grande capaci.té.
L'exemple de la figure 10.2 est une version sïmplifiée de l'exemple de la figure 10, dans lequel les deux dispositifs sont imbriqués ; il est constitué d'un dispositif supersonique selon la figure 9 dans lequel les conduits ( N2 ), ( NT ), ( N3 ), et ( D ) sont regroupés en un seul conduit 785 faiblement divergent, et dans lequel la zone ( Cl ) peut jouer le rôle des zones ( Cl ) et ( C2 ) du dispositif sonique représenté sur la figure 2.3 ; le noyau ( K2 ) du dispositif supersonique 3 l~~/ =~0 1 tLL/ .,,.

07-02-2'002 21 FR0100230 comporte des buses de pulvérisation réparties tout au long de son axe, et peut jouer le rôle du noyau ( Kl ) du dispositif sonique représenté sur la figure 2.3 .
Lors de la mise en service de l'installation, le noyau ( K3 ) est entièrement retiré dans la chambre 79o de tranquillisation ( T ) ; le compresseur, le brûleur, et les buses de pulvérisation du noyau ( Kl ) sont mis en service, et la partie amont du dispositif est seule utilisée, comme une installation sonique ; lorsque la pression en aval de ( C2 ) est suffisamment élevée, le compresseur est arrêté, la partie supersonique aval du dispositif est elle aussi mise en service et, lorsque la pression dans la chambre de tranquillisation est suffisamment élevée, les buses de pulvérisation du noyau 795 ( Kl ), c'est à dire celles du dispositif sonique, sont arrêtées progressivement ; l'ensemble de l'installation fonctionne alors comrne un dispositif supersonique seul, et les réglages de débit, taux de compression, et rendement de l'installation peuvent être effectuer par ajustenient du brûleur, du débit de liquide pulvérisé, et des positions de ( K2 ) et ( K3 ).
L'eaemple de la figure 10.3 est lui aussi une version simplifiée d'un dispositif sonique imbriqué
800 dans un dispositif supersonique pour en faciliter la mise en service ; il est constitué d'un dispositif supersonique selon la figure 7 avec tuyères à géométrie variable par parois déformables dans lequel le convergent ( CG ) du dispositif supersonique peut jouer le rôle des convergents ( C 1) et ( C2 ) du dispositif sonique représenté sur la figure 2.3 ; le convergent ( CG ) du dispositif supersonique comporte en sus des buses de pulvérisation ( R) réparties tout 805 au long de son axe, qui jouent le même rôle que les buses de pulvérisation réparties dans la zone ( C2 ) du dispositif sonique.
Lors de la mise en service de l'installation, le conduit ( CGI ) est mis en position de démarrage, légèrement divergent; le compresseur, le brûleur, et les buses de pulvérisation du dispositif sonique sont mis en service, et la partie amont du dispositif est seule utilisée, comme une 810 installation sonique ; lorsque la pression en aval de ( C2 ) est suffisamment élevée, le compresseur est arrêté, la partie supersonique aval du dispositif est elle aussi mise en service et, lorsque la pression dans la chambre de tranquillisation est suffisamment élevée, les buses de pulvérisation du dispositif sonique sont elles aussi arrêtées progressivement ; l'ensemble de l'installation fonctionne alors comme un dispositif supersonique seul, et les réglages de débit, 815 taux de compression, et rendement de l'installation peuvent être effectués par ajustement du brûleur, du débit de liquide pulvérisé~, et des sections de chacun des deux cols du dispositif.
L'exemple de la figure 10.4 permet, de façon très simplifiée, d'obtenir le même résultat que les exemples des figures 10 et 10.2 , c:'est à dire qu'il permet la mise en service d'un dispositif de compression d'air supersonique à taux de compression élevé, à l'aide d'un compresseur de 820 démarrage peu performant ; il est constitué d'un dispositif supersonique selon la figure 8 et d'un dispositif sonique selon la figure 2.4 installés en série et imbriqués l'un dans l'autre .
Dans cette installation, les conduits ( NT' ), ( N2 ), ( NT ), et ( N3 ) sont regroupés en un seul conduit faiblement convergent, et le noyau ( K3 ) et la buse de pulvérisation ( R) du dispositif supersonique sont aussi utilisés comme noyau ( K1 ) et comme buse ( R ) du dispositif 825 sonique lorsque ce dernier est utilisé .

~ --Lors de la mise en service de l'installation, le dispositif sonique est seul utilisé, le noyau (K2) étant alors entièrement retiré dans ( C), jusqu'à l'obtention d'un gain de pression suffisant pour permettre la mise en service du dispositif supersonique, c'est à dire pour permettre l'introduction de ( K2 ) dans ( Cl ) afin de créer un divergent ).
830 A titre d'exemple de réalisation, iun dispositif selon la figure 10.2 permettant de comprimer près de 20 000 Nm3 d'air de 1 bar A à 2,5 bar A, et perrnettant d'ajuster le débit et le taux de compression du gaz à comprimer, peut être obtenu avec un compresseur de démarrage développant une surpression de 100 mbar seulement, en apportant les modifications suivantes à
l'exemple de réalisation de la variante 8:
835 -Le convergent ( Cl ) est remplacé par un convergent de même conception, remplissant le rôle de (Cl ) vis-à-vis du fonctionnernerit supersonique et de ( C1) + ( C2) vis-à-vis du fonctionnement sonique, de mêmes diamètres d'entrée et de sortie, mais de longueur 1,5 m, -Remplacement du noyau d'entrée ( K2 ) par un nouveau noyau remplissant le rôle de ( K2 ) vis-à-vis du fonctionnement supersonique et de ( K vis-à-vis du fonctionnement sonique, de 840 mêmes diamètres mais de longueur totale 1,3 m; sa partie aval ( K"' ), qui coulisse dans ( C1 ), comporte sur son pourtour les buses de pulvérisation nécessaires au fonctionnement sonique .
APPLICATIONS INDUSTRIELLE de L'INVENTION
Le dispositif selon l'invention trouve ses applications dans les procédés industriels mettant en 845 oeuvre des gaz comprimés, de l'air comprimé, ou de la vapeur d'eau, avec un intérêt tout particulier en ce qui concerne les centrales thermo-électriques: voir exemples 5, 6, 7, 8,et 9 ci-dessous; il permet par exemple de réaliser les installations suivantes avec des coûts d'équipement, des coûts de mainteilance, et des rendements énergétiques compétitifs :
1-Installations de production d'air ou de gaz comprimés destinées à satisfaire des besoins 850 industriels et permettant de générer des débits très importants, de 1000 Nm3/h à plusieurs millions de Nm3/h , à des pressions comprises entre 1,5 barA et 20 barA, voir au-delà.
2-Systèmes de vide mettant en oruvre des débits d'air ou de gaz importants pour satisfaire des besoins de procédés industriels, des besoins de bancs d'essaïs thermodynamiques tels que bancs Aéronautiques, Climatiques, . ., etc.
855 3-Utilisation de la chaleur résiduelle des fumées dans des chaudières de puissance pour réaliser le vide partiel de leurs chambres de combustion, ce qui évite l'utilisation permanente des ventilateurs de tirage et permet d'économiser plusieurs centaines ou milliers de kW d'énergie électrique .
4- recompression mécanique de vapeur à basse pression telle que de la vapeur d'eau par 860 exemple, le liquide injecté étant alors de l'eau, pour obtenir de la vapeur à plus haute pression ;
dans cet exemple, la ligne d'aspiration comporte si nécessaire un échangeur thermique permettant de surchauffer la vapeur basse pression .
5-Centrales thermo-électriques à vapeur dans lesquelles les chaudières à
vapeur haute pression seraient remplacées par le même dispositif que celui décrit dans l'exemple précédent ; dans de 865 telles centrales, la vapeur recomprimée est surchauffée puis détendue à
travers des turbines avant d'être retournée à l'entrée du dispositif, les condenseurs de vapeur n'étant plus nécessaires que pour condenser à basse température un débit de vapeur égal au débit d'eau injectée dans le dispositif. Dans de telles centrales, la source chaude du cycle thermodynamique, voisine de 500 à 700 C, est bien supérieure à celle des centrales 870 classiques : 250 C à 310 C, correspondant à l'ébullition de la vapeur à
40 à 100 bar;, elle permet donc des rendements énergétiques riettement plus élevés, pouvant dépasser 45%.

6-Centrales thermo-électriques à turbines à gaz, dans lesquelles un dispositif selon la figure 9 par exemple mais sans brûleur, installé sur le circuit des fumées en aval de la turbine, utilise la chaleur latente des fumées pour recomprimer une partie des fumées avant de les réinjecter en 875 aval du compresseur de la turbine à gaz, permettant de réduire en conséquence le débit et donc la puissance consommée par ce compresseur ; un tel cycle permet par exemple de porter de 27% à près de 45% le rendement d'une turbine à gaz, moyennant bien entendu les adaptations appropriées .

7-Centrales thermo-électriques à turbines à gaz, dans lesquelles un dispositif selon la figure 9 par 880 exemple mais sans brûleur, installg-, sur le circuit des fumées en aval de la turbine, utilise la chaleur latente des fumées pour cr=éer un vide permettant d'améliorer la puissance de la turbine à gaz ; un tel cycle permet lui aussi de porter de 27% à près de 45% le rendement d'une turbine à gaz, moyennant bien entendu les adaptations correspondantes de la turbine.

8-Centrales thermo-électriques utilisant le cycle de compression du dispositif, et constituées par 885 exemple du dispositif selon la figure 10.1 avec en sus une turbine à air ( TB ) installée en aval du brûleur de la ligne d'aspiration et des turbines air-vapeur installées sur la ligne d'évacuation ; un tel cycle permet d'atteindre des rendements supérieurs à
56%, en tenant compte des diverses pertes du système : déperditions thermiques, pertes de charge du dispositif, pertes par frottement, rendement isentropique de la turbine, etc...
890 9- Centrales thermo-électriques utilisant le cycle de compression du dispositif, et constituées par exemple du dispositif selon la figure 10.1 sans brûleur ( B ) sur la ligne d'aspiration, mais avec un brûleur et une turbine air-vapeur installés sur la ligne d'évacuation en amont de l'échangeur ( E' 1) ; un tel cycle permet d'atteindre des rendements supérieurs à 60%, en tenant compte des diverses pertes du système : déperditions thermiques, pertes de charge du dispositif, pertes par 895 frottement, rendement isentropique de la turbine, etc...

31~ t~ ~o-c

Claims (15)

Les réalisations de l'invention au sujet desquelles un droit exclusif de propriété et de privilège est revendiqué
sont définies comme suit:

1. Un dispositif pour comprimer un gaz, comprenant:
des moyens pour amener un gaz entrant faible pression à
une température élevée;
un convergent de détente pour accroître la vitesse du gaz vers une vitesse sonique, le convergent de détente étant disposé en aval des moyens pour amener le gaz entrant à une température élevée;
une tuyère convergente disposée en aval du convergent de détente, la tuyère convergente réalisant une détente et un refroidissement du gaz, dans laquelle le gaz est refroidi et en même temps maintenu à une vitesse élevée;
un système de refroidissement comprenant un ensemble de buses de pulvérisation de liquide pour pulvériser un liquide à
l'intérieur de la tuyère convergente, les buses de pulvérisation de liquide ayant des débits réglables et des positions réglables et étant réparties le long de la tuyère convergente, permettant à la vitesse du gaz d'être maintenue à
un vitesse plus faible que la vitesse sonique le long de la tuyère convergente;
une tuyère divergente disposée en aval de la tuyère convergente pour comprimer le gaz en réduisant sa vitesse à
une vitesse d'écoulement subsonique normale; et une ligne d'évacuation dans laquelle le gaz possède une température plus basse et une pression plus élevée.

2. Dispositif pour comprimer un gaz conforme à la revendication 1, comprenant un zone de transition disposée entre le convergent de détente et la tuyère convergente.

3. Dispositif pour comprimer un gaz conforme à la revendication 2, dans lequel la tuyère convergente et la tuyère divergente possèdent une géométrie variable avec une section de sortie réglable de la tuyère convergente, avec une section de sortie réglable de la tuyère divergente, et avec une section réglable d'un col entre la tuyère convergente et la tuyère divergente en fonction d'un écoulement et une température du gaz à être comprimé.

4. Un dispositif pour comprimer un gaz, comprenant:
des moyens pour amener un gaz entrant faible pression à
une température élevée;
un convergent de détente pour accroître la vitesse du gaz jusqu'à une vitesse sonique, le convergent de détente étant disposé en aval des moyens pour amener le gaz entrant à
une température élevée;
une tuyère divergente supersonique disposée en aval du convergent de détente et ayant pour fonction d'accroître la vitesse du gaz pour atteindre un écoulement supersonique;
une zone de transition disposée en aval de la tuyère divergente supersonique;
une tuyère convergente de compression/refroidissement disposée en aval de la zone de transition pour réduire la vitesse du gaz tout en continuant de refroidir le gaz;
un système de refroidissement comprenant un ensemble de buses de pulvérisation de liquide pour pulvériser un liquide à
l'intérieur de la zone de transition et de la tuyère convergente de compression/refroidissement;
une seconde tuyère convergente de compression disposée en aval de la tuyère convergente de compression/refroidisse-ment, dans laquelle la vitesse du gaz continue de décroître;
une seconde tuyère divergente disposée en aval de la seconde tuyère convergente de compression pour comprimer le gaz en réduisant sa vitesse à une vitesse d'écoulement subsonique normale; et une ligne d'évacuation dans laquelle le gaz possède une température plus basse et une pression plus élevée.

5. Dispositif pour comprimer un gaz conforme à la revendication 4, dans lequel l'ensemble de buses de pulvérisation de liquide comporte un ensemble de buses réparties radialement sur des sections perpendiculaires à
l'écoulement de gaz, disposées dans une entrée de la tuyère convergente de compression/refroidissement ou dans la zone de transition.

6. Dispositif pour comprimer un gaz conforme à la revendication 5, dans lequel le convergent de détente et la tuyère divergente supersonique comportent une tuyère convergente suivie d'une tuyère divergente, toutes deux à
géométrie variable, pour permettre à une section d'un col entre ces tuyères convergente et divergente d'être réglée en fonction d'un écoulement et une température du gaz à être comprimé.

7. Dispositif pour comprimer un gaz conforme à la revendication 5, dans lequel n'importe laquelle des tuyère convergente de compression/refroidissement, seconde tuyère convergente de compression et seconde tuyère divergente possède une géométrie variable, ce qui permet à une section d'un col entre ces tuyères d'être réglée en fonction de l'écoulement, la température et la pression du gaz à être comprimé.

8. Dispositif pour comprimer un gaz conforme à la revendication 6, dans lequel la tuyère convergente de compression/refroidissement, la seconde tuyère convergente de compression et la seconde tuyère divergente possèdent une géométrie variable, ce qui permet à une section d'un col entre ces tuyères d'être réglée en fonction de l'écoulement, la température et la pression du gaz à être comprimé.

9. Dispositif pour comprimer un gaz conforme à la revendication 1, comprenant, afin d'obtenir de très petites gouttelettes et ainsi faciliter leur évaporation, des moyens pour chauffer le liquide utilisé dans les buses de pulvérisation de liquide avant d'introduire ledit liquide dans lesdites buses de pulvérisation de liquide.

10. Dispositif pour comprimer un gaz conforme à la revendication 1, comprenant, en série ou en parallèle, plusieurs convergents de détente, plusieurs tuyères convergentes, plusieurs systèmes de refroidissement et plusieurs tuyères divergentes installées dans une même enveloppe.

11. Dispositif pour comprimer un gaz conforme à la revendication 1, comprenant une chambre de tranquillisation disposée entre la tuyère divergente et la ligne d'évacuation.

12. Dispositif pour comprimer un gaz conforme à la revendication 1, dans lequel les moyens pour amener un gaz entrant faible pression à une température élevée comporte des moyens pour chauffer le gaz tels un brûleur, ou des échangeurs de chaleur utilisant de la chaleur recyclée, ou toute autre source de chaleur disponible, et une chambre d'entrée disposée entre les moyens pour chauffer et le convergent de détente.

13. Dispositif pour comprimer un gaz conforme à la revendication 12, dans lequel les moyens pour chauffer le gaz sont choisis parmi le groupe consistant en un brûleur, un échangeur de chaleur utilisant de la chaleur recyclée, et toute autre source de chaleur disponible.

14. Dispositif pour comprimer un gaz conforme à la revendication 1, dans lequel la ligne d'évacuation comprend un équipement de recyclage de gaz chaud, un équipement d'échangeurs de récupération, et un équipement de silencieux récupérant un excès de chaleur contenue dans un gaz d'échappement et réduisant un niveau de bruit.

15. Dispositif pour comprimer un gaz conforme à la revendication 14, dans lequel lesdits équipements sont alimentés seulement par une partie du gaz comprimé.