EP1269025A1 - Compresseur thermocinetique - Google Patents

Compresseur thermocinetique

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EP1269025A1
EP1269025A1 EP01907689A EP01907689A EP1269025A1 EP 1269025 A1 EP1269025 A1 EP 1269025A1 EP 01907689 A EP01907689 A EP 01907689A EP 01907689 A EP01907689 A EP 01907689A EP 1269025 A1 EP1269025 A1 EP 1269025A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nozzle
gas
convergent
compressed
nozzles
Prior art date
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Application number
EP01907689A
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German (de)
English (en)
Other versions
EP1269025B1 (fr
Inventor
Joseph Haiun
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Thermokin
Original Assignee
Haiun Joseph
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Filing date
Publication date
Application filed by Haiun Joseph filed Critical Haiun Joseph
Publication of EP1269025A1 publication Critical patent/EP1269025A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1269025B1 publication Critical patent/EP1269025B1/fr
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/54—Installations characterised by use of jet pumps, e.g. combinations of two or more jet pumps of different type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/44—Component parts, details, or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04F5/02 - F04F5/42
    • F04F5/46—Arrangements of nozzles
    • F04F5/461—Adjustable nozzles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/44—Component parts, details, or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04F5/02 - F04F5/42
    • F04F5/46—Arrangements of nozzles
    • F04F5/462—Arrangements of nozzles with provisions for cooling the fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/44—Component parts, details, or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04F5/02 - F04F5/42
    • F04F5/46—Arrangements of nozzles
    • F04F5/465—Arrangements of nozzles with supersonic flow
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S261/00—Gas and liquid contact apparatus
    • Y10S261/78—Sonic flow

Definitions

  • the present invention relates to an air compressor or any other gas at low cost, whose primary energy used in the compression cycle is not mechanical or electrical energy as in most compressors, but directly thermal energy, this compressor has no moving parts subject to wear, and the energy losses due to friction as well as the excess heat from the cold source of the cycle can be recovered to be reused in the compression cycle or to generate pressurized steam which, mixed with compressed gas, increases the flow rate
  • This device finds its application in the compression or partial vacuum of any industrial gas, but its thermal cycle predestines it particularly for the realization of power plants high efficiency thermo-energetics, energy saving systems such as mechanical vapor recompression, or rec uperation and conversion of residual thermal energy
  • compressors are traditionally made up of devices in which 1 gas compression energy is supplied in the form of mechanical energy (volumetric compressors, centrifugal or axial compressors,) or potential or kinetic energy of another gas (ejectors), such compressors require significant maintenance due to the mechanical friction and wear which result therefrom, and have low energy yields (see very low for the ejectors), mainly due
  • the device of the invention overcomes has most of these disadvantages by using a different cycle, consisting in pretreating the gas to compress and provide it directly to thermal energy if its temperature is not high enough , to relax the latter
  • the energy losses due to the pressure losses of the gas to be compressed as well as the heat losses through the walls of the device are reinjected in the form of heat in the gas to be compressed, thereby reducing the initial thermal contribution Likewise, the excess heat from the cold source is dissipated by the evaporation of the liquid.
  • thermoelectric power plants where it very advantageously replaces steam generators in steam power plants and especially in combined cycle power plants
  • the device according to the invention uses a subsonic or sonic flow, it includes a suction line equipped to pre-treat and reheat the gas to be compressed if necessary an optional intake chamber "C” intended to tranquilize the gas flow before its admission into an expansion convergent "C l” making it possible to increase its speed up to the sonic speed possibly, an optional transition zone "N", a convergent nozzle
  • a cooling system “R” consists of set of nozzles for spraying water (or other liquid) with adjustable flow and / or position from 1 outside of the device distributed along zones "N" and “C2” and intended to extract heat from 1 air (or gas to be compressed) by evaporation of the injected liquid, and finally an adiabatic compression divergent “D” intended to compress the gas by reducing its speed 85 to a normal flow speed (of the order of 10 to 50 m / s) before being admitted to a “T” stilling chamber (Optional) and being discharged into an evacuation pipe
  • the transition zone “N” ensures a continuous connection between the ends of "C 1" and “C2” with a generator with a monotonous slope, and without angle
  • 1 suction can be fitted with the following additional optional elements Suction filter “F” Silencer “S” Primary compressor “CP” intended for commissioning the device or for a pre -compression of the gas to be compressed Heat exchangers “E l” “E2” “En” (using, directly or using an intermediate fluid, the residual heat contained in the compressed gas at the outlet of the device or any other heat source available elsewhere) and Burner “B” (supplies fuel) intended to heat the gas to be compressed if its temperature is not high enough at 1 inlet to the device, and finally "TB” expansion turbine intended to possibly transform 1 energy compression in mechanical energy Similarly, depending on the context of use of the device, the evacuation pipe can be fitted
  • the superheating temperature can range from 100 ° C up to at more than 1500 ° C During its flow in the converging expansion / cooling nozzle "C2" the gas
  • the cooling system "R” allows to adjust the distribution of the cooling along 1 axis of "C2" by any moven allowing the adjustment of the flow rate and / or the position of
  • each nozzle an exemplary embodiment, represented in FIG. 1 1 shows nozzles arranged in radial fins distributed along the axis of "C2", with the possibility of adjusting manually or automatically from the outside the flow of liquid injected into each row of nozzles using external valves), a second preferred embodiment shown in Figure 1 2, shows spray nozzles distributed along the axis of the
  • the tubes are supported by threaded bearings at the end of the intake chamber, the threads making it possible to adjust manually or automatically from outside the position of each spray nozzle, external valves allow the flow rate of each nozzle to be adjusted
  • the device can be designed with a single spray nozzle, but it then has a degraded yield
  • the spray nozzles used are preferably nozzles at high injection speed and with minimum droplet dimensions such only nozzles
  • parts "C”, “C l” “N”, “C2”, “D”, and “T” can be made of steel carbon, stainless steel or any other material compatible with the gas to be compressed and having good resistance
  • these parts can for example be made of carbon steel coated internally with heat insulation or refractory, carbon steel or stainless steel with double jacket (cooled with water or compressed gas, the latter can be reused in the device), ceramic, or any other material with good mechanical resistance
  • the device according to FIG. 1 makes it possible to compress from 1 bar A to 2.5 bar A nearly 30,000 Nm3 / hour of air, from the following elements - A suction line of air with an internal diameter of 0.6 m in carbon steel including a primary starting compressor capable of developing an overpressure of 100 mbar and a
  • the intake chamber “C” is made of carbon steel coated entirely with refractory concrete, while “C l”, “N”, “C2”, “D”, and “T” are made of carbon steel a double jacket cooled by air circulation to be compressed before entering the air intake, the spray nozzles installed on (and supplied by) a system of tubes
  • zone "C2" Exansion nozzle / cooling
  • zone "D” divergent adiabatic compression
  • the example in Figure 2.1 relates to a nozzle of circular section with deformable walls, the zone “C2” and the zone “D”, consist of overlapping flexible steel strips and regularly arranged on the generat ⁇ ces of the dispositi and their ends are welded on the
  • edges of the transition zone "N" and the plenum of circular clamps or any other system allow to modify the central section of the arrangement which then constitutes the neck of the zones "C2" and " D "
  • the other elements of the device are identical to those described in the basic version 1
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 2 1 has the same performance as
  • figure 2.2 relates to a nozzle of rectangular section it is equipped with an adjustable system constitutes of a core "K” sliding axially in the zones “N" “C2" and “D, and whose axis is fixed on a shaft passing for example 1 one (or both) ends of the
  • the axial position of the core "K" can be adjusted manually or automatically from 1 extender by a thread placed on a bearing, by an external ve ⁇ n or by any other external system
  • the spray nozzles are distributed in the "N" and "C2" zones.
  • the other elements of the device are identical to those described in the basic version 1 200
  • the new "K” is a piece of rectangular section, two opposite faces parallel to the axis are juxtaposed to the faces of the tu / er the other two faces of the core have an aerodynamic profile allowing to minimize pressure losses of the gas to compress, each of them consists of an upstream part "K '" of constant or increasing section in the direction of gas flow, of a downstream part "K'""of decreasing section in the direction of flow
  • the core "K” can be made of carbon steel
  • Figure 2.3 concerns a circular section device, it is equipped with a
  • 215 adjustable system consists of a core "K” sliding axially in the areas “N" “C2" and “D” the core being fixed on a shaft passing for example one (or both) ends of the device, the position axial of the core “K” can be adjusted manually or automatically from the outside by a thread placed on a bearing, by an external ve ⁇ n, or by any other external system
  • the core “K” is a solid part of revolution whose aerodynamic profile makes it possible to minimize the pressure losses of the gas to be compressed, it is made up of a part upstream “K '" of constant or increasing section in the gas flow direction, of a downstream part “K'" "of
  • the new” K can be made of carbon steel (temperatures below 300 °), stainless steel, steel cooled by internal circulation of cooling fluid, ceramic, or any other material having good resistance to abrasion and at the temperatures used
  • FIG. 2 3 shows a through shaft" K “and supported by a bearing placed in the intake chamber, and by a second bearing at the end of the stilling chamber” T ", the latter including a thread for adjusting the position of the novau and spray nozzles During the flow of the gas to be compressed in the expansion / cooling convergent "C2",
  • the device is equipped with a core "Kl” sliding axially in the areas “N” “C2" “D” and “T”, and whose axis is fixed on a shaft passing for example one (or both) ) ends of the device, the axial position of the new "Kl” can be adjusted manually or automatically from the outside by a thread placed on a bearing, by an external ve ⁇ n
  • the spray nozzles are distributed in the “N” and “C2” zones.
  • the other elements of the device are identical to those described in the basic version 1
  • the “Kl” core is a solid part of revolution whose aerodynamic profile makes it possible to minimize the pressure drops of the gas to be compressed, it consists of an upstream part “K l”
  • the new “K l” can be made of carbon steel (temperatures below 300 °), steel stainless steel, in steel cooled by internal circulation of coolant, ceramic, or any other material with good resistance to
  • FIG. 2 4 shows a shaft passing through the core “Kl” right through and resting on bearings placed in the intake chamber and in the stilling chamber, the latter including a thread for adjusting the position During 1 flow of gas to be compressed in zone “C2" 1 free space between
  • the pipe "C2" constitutes a convergent nozzle which performs the same role as the converging cooling compression chamber "C2" described in the basic version 1
  • the neck (ie the minimum passage section ) downstream of this converging tuvere is generally located downstream of the exit neck of "C2", and its section Ss can be modified at any time from the outside by adjusting the axial position of the core "K l"
  • the spraying system consists of a series of nozzles whose positions and / or flow rates can be adjusted manually or automatically from the outside, according to the same concept as in basic version 1, the evaporation of the droplets sprayed
  • the dimensioning of the device obviously depends first of all on the flow rate and the characteristics of the gas to be compressed, as well as on the outlet pressure sought for these criteria. being fixed, the choices are the temperature of gas reheating upstream of “C”, the expansion rate through “C l” and “C2” (and therefore Pa, Va, Ta), and the dimensions of the droplets "60 the result of a compromise between the standard equipment available in the market (various types of spray nozzles, materials), the dimensions and the price of the device and its energy efficiency as an example embodiment, a compressor of air constitutes of a device according to the figure
  • the intake chamber “C” is made of carbon steel coated internally with refractory concrete, while “Cl”, “Dl”, “C3”, “C4", “D”, and “T” are made of steel carbon double casing cooled by a flow of air to be compressed prior to its entry to the air suction, the spray nozzles has ultrasound, installed on (and supplied by) 90 sliding tube system concent ⁇ ques steel carbon with an outside diameter of 40 mm passing through the intake chamber, are distributed in "C3" VARL NTE 4 A variant 4, also concerning a supersonic flow, is shown in the figure
  • PLACED has the entry of the “C3” zone or in the “NT” transition zone (the latter arrangement making it possible to anticipate the time difference between spraying and evaporation of the injected liquid), the flow rate and the axial position of these nozzles can be adjusted manually or automatically from outside the device
  • the other elements of the device are identical to those described for variant 3
  • FIG. 4 represents an exemplary embodiment with a single nozzle situated on the axis of the device at the end of a shaft passing through the intake chamber, and the flow rate and the position of which can be adjusted (manually or automatically) a from the outside
  • FIG. 4 1 represents another example of embodiment with several axial nozzles of the same type
  • FIG. 4 2 represents a third example of embodiment with nozzles with adjustable flow rate arranged on radial fins.
  • the example of the figure 4 which is the most practical, will be mentioned alone in the rest of the description
  • the device represented in FIG. 4 has the same elements and has the same performance as the example of embodiment of variant 3 except for the replacement of the spray nozzle system by an axial nozzle.
  • a variant 5 concerning a supersonic flow, follows from variants 3 or 4 and makes it possible to adjust at any time the flow rate of the gas to be compressed, the compression rate, and the energy efficiency of the device, in this variant, the convergent "Cl” and the divergent "D l” of variants 3 and 4 are replaced by a converging nozzle followed by a diverging nozzle both with variable geomet ⁇ es, which makes it possible to adjust the section of the neck included between these two nozzles, the geometry system variable, control from outside the device is obtained by any mechanism making it possible to modify the pass section of the neck between “C l” and “D l” such as those described in the examples below
  • the variable geometry system is obtained by replacing “C l” and “D l” with a converging nozzle “CG” with variable geometry followed by an optional transition zone “NT1” then a separate nozzle "DG” manager with variable geometry, also the three with deformable walls so as to modify the section of the neck between the two nozzle
  • the transition zone “NT 1" ensures a continuous connection between the ends of "CG” and “DG” with a generator with a monotonous slope, and without angle
  • the speed of the gas to be compressed must be sonic in the first neck of the device (and in the second as far as possible), the ability to change its section to make it independent of one another, the temperature and the gas flow to compress the output of the intake chamber, while respecting the constraint sonic flow in this neck this makes it possible to modify either the flow rate of the gas to be compressed, or its temperature at the inlet of the first neck (and possibly the flow rate of sprayed liquid, which results in a modification of the compression ratio of the device and of its efficiency), ie both simultaneously
  • the other elements of the device are identical to those described in variants 3 or 4
  • the zone "D l" (divergent nozzle of supersonic expansion) of variants 3 or 4 is replaced by an adjustable system consisting of an optional transition zone "NT '" followed by a slightly divergent "N2" conduit
  • the spray system can be housed in the "NT" zone, in the "C3” zone or at the downstream end of "K '" 2 "(see below).
  • The" K2 "core is a part whose aerodynamic profile allows to minimize the pressure drop of the gas to be compressed, it consists of an upstream part “K'2” of constant or increasing section in the direction of flow of the gas, of a downstream part “K '” 2 “of decreasing section in the direction of gas flow, and an intermediate part “K” 2 "whose continuous generator (without angle) ensures the link between the generat ⁇ ce of" K'2 "and that of" K '"2 »The part” K '"2" of the nucleus "K2” is housed in the convergent subsonic expansion "C l" in the transition zone "NT” ", and in the conduit” N2 "
  • the core "K2" can be made of carbon steel (temperatures below 300 °), steel stainless steel, cooled by internal circulation of cooling fluid, ceramic, or any other material having good abrasion resistance and at the temperatures used
  • FIG. 5 1 shows a new "K2" supported by a shaft which passes axially, resting itself on a bearing placed in the room intake including a position adjustment thread, in this example, a single spray nozzle is installed at the downstream end of the part "K '" 2 "of the core” K2 "
  • the neck (that is to say the minimum passage section) between these two nozzles of FIG. 5 1 is generally located between the maximum section of "K2" and the outlet section of "C 1" and its section S's can be modified at any time from the outside by adjusting the axial position of the core "K2" Depending on the conditions of use of the device the conduit "N2" can be slightly
  • a device according to FIG. 5 1 has the same performances as the example of embodiment concerning variant 4, with the following modifications allowing to adjust the flow rate and the compression rate of the gas to be compressed - Replacement of the supersonic expansion divergent "Dl" by a transition zone "NT '"
  • the assembly having an inlet diameter close to 0 295 m, an outlet diameter close to 0.388 m, and a length of 0.2 m, the air there being expanded to 0 , 1 bar A, the transition zone "NT '" and the diverging part “N2” are made of carbon steel with a double jacket, - Addition of a core "K2" of stainless steel cooled by internal circulation of water of diameter
  • variable geometry system is obtained by any mechanism allowing the section of this neck to be modified, such as those described in the examples below.
  • the variable geometry system is obtained by replacing "C3""C4" and “D” by a nozzle ⁇ CGI "with deformable walls which can be adjusted to be preferably slightly divergent during the commissioning of the device then
  • the speed of the gas to be calculated should preferably be sonic in the second neck of the device, this possibility of modifying its section makes it possible to make the temperature, the pressure independent, and the flow of the gas compressed at the outlet of the convergent of adiabatic relaxation while respecting the sonic flow constraint in this neck, this allows
  • the spray nozzle is housed in the "NT" or "N3" zone
  • the divergent duct “D” and possibly the plenum “T” can simply be formed by an extension of the slightly divergent duct “N3”
  • the core "K3" is a part whose aerodynamic profile makes it possible to minimize the pressure losses of the gas to be compressed, it is made up of an upstream part “K '3" of increasing section in the direction of gas flow, d 'a downstream part “K'” 3 "of constant or decreasing section in the direction of gas flow, and an intermediate part K" 3 whose continuous generator 560 (without angle) provides the link between the generator of " K '3 "and that of"K'"3"
  • the part “K'3" of the core “K3” is housed in the conduit "N3"
  • the core "K3" can be made of carbon steel (temperatures below 300 °), steel stainless steel, cooled by internal circulation 565 of coolant, ceramic, or any other material having good resistance to abrasion and to the temperatures used
  • FIG. 6 1 shows a shaft passing through the core "K3" right through and resting on bearings placed in the intake chamber and in the stilling chamber, the latter including an adjustment motor position, the spray nozzle 570 is placed at the end of a sliding tube on the shaft
  • the free space between "K'3” and the pipe “N3” constitutes a converging nozzle which performs the same role as the converging cooling compression nozzle " C3 "and the convergent supersonic adiabatic compression nozzle” C4 "of variants 3 or 4
  • the free space comprised 575 between" K '"3" and “D” constitutes a diverging nozzle which performs the same role as the converging nozzle of adiabatic compression "D” described in variants 3 or 4
  • the neck (ie the minimum passage section) between these two nozzles is generally located between the outlet of the duct "N3" and the maximum diameter of "K” 3 »
  • its section Ss can be modified at any time from the outside by adjusting the axial position of the core « K3 » this 580 adjustment of the section at the neck allows
  • a device according to FIG. 6 1 has the same performances as the example of embodiment concerning variant 4, the following modifications 595 making it possible to adjust the flow rate and the compression rate of the gas to be compressed
  • the spray nozzle is identical to that of the embodiment of variant 4, but the sliding tube enabling it to be supplied with water is housed in the support shaft of the core "K3" VARIANTE 7 610 A variant 7, for supersonic flow, resuite of simultaneous application of the variants 5 and 6 on the same device, and to adjust from the exte ⁇ eur independently of one another and at any time the sections of two necks of the device and therefore to modify the air flow (or gas) to be compressed, the compression rate of the device, and its energy efficiency, while also allowing to suppress or move towards its output any 615 pressure waves or shock waves can in certain cases develop in the supersonic divergents of variants 3, 4, or 5, in this variant, the zones “C3” “C4” and “D” of variant 5, are replaced as for variant 6 by a nozzle a geomet ⁇ e v ariable can be set to be slightly divergent when the device commissioning then converges thereafter, followed by a divergent nozzle has variable geometry O2O the diameter of the neck between the two
  • the convergent compression / cooling nozzle 630 “C3” and the convergent adiabatic supersonic compression nozzle “C4” in FIG. 5 1 are replaced by a duct “N3” preferably slightly divergent with an inlet diameter slightly larger than that of "D l" preferably, inside which can axially slide a core “K3” whose axis is fixed on a shaft passing for example one (or both) ends of the device, the axial position of the core “K3” can be adjusted
  • the spray nozzle is housed in one of the “N2”, “NT”, or “N3” zones between
  • the core "K3" can be made of carbon steel (temperatures below 300 °), stainless steel, steel cooled by internal circulation of cooling fluid, ceramic, or in any other material having good resistance to abrasion and to the temperatures used.
  • the embodiment shows in FIG. 7 1 shows a shaft passing right through the
  • each bearing includes a motor for adjusting the axial position of each of the cores, and the nozzle spraying is installed directly on the downstream end of "K '" 2 "As in the example in Figure 5 1, the free space between" K2 "” C 1 ",” NT “and o6o” N2 "has a first neck of section S's adjustable from the outside by adjusting the axial position of the core "K2"
  • the free space between "K3" "N3" and “D” comprises a second neck of section Ss adjustable from the outside by adjusting the axial position of the "K3" core
  • FIG. 7 1 a device according to FIG. 7 1 making it possible to compress nearly 20,000 Nm3 of air from 1 bar A to 2.5 bir A- and making it possible to adjust the flow rate and the compression rate of the gas to be compressed, can be obtained by making the following modifications to the embodiment of variant 5
  • a variant 8 concerning the spray nozzles of the basic option 1 or of the variants 2 to 7 described above, is shown in FIG. 8, it consists in using as spraying fluid part of the compressed air (or gas) generated by the device or steam generated by heat recovery from the compressed gas downstream of the still chamber
  • This variant makes it possible to reduce the size of the droplets of liquid spray and increase their speed initial without additional external mechanical energy, and therefore improve the energy efficiency of the device
  • FIG. 8 relates to the same type of installation as that of FIG. 7 1, but it is equipped with assistance with spraying from compressed air taken at the outlet of the device.
  • a device according to FIG. 8 making it possible to compress nearly 20,000 Nm3 of air from 1 bar A to 2.5 bar A, and making it possible to adjust the flow rate and the compression rate of the gas to compress, can be obtained by making the following modifications to the embodiment of variant 7 -
  • the outlet diameter of "C l" becomes 0 322 m -Replacement of "NT '" and "N2" by a divergent nozzle of the same design but with an inlet diameter of 0.322 m, an outlet diameter of 1.042 m, and a length of 1.439 m allowing the air to be relaxed to 0.004 bar
  • FIG. 9 A variant 9, concerning the spray nozzles of the basic option 1 or of the variants 2 to 8 described above, is shown in FIG. 9, it consists in reheating the liquid used in the spray nozzles before its introduction in the nozzles, by using the heat recovered from the compressed gas downstream of the stilling chamber "T" (recovery possibly going as far as condensation of the vapor of liquid spray), during
  • any other internal heat source heat recovered in the double "o envelopes" or external to the device can be used
  • FIG. 9 relates to the same type of installation as that of FIG. 8 in which the liquid to be sprayed is previously heated in a heat exchanger installed on the discharge line of the compressed gas.
  • a device according to FIG. 9 having the same
  • a variant 10 relates to the installation in parallel or in series of several of the devices described in basic option 1 and variants 2 to 9 in order to facilitate its realization, to achieve compression ratios which cannot be achieved by a single device, to improve the overall yield of 1 installation, or to facilitate the commissioning of the installation, the devices can be distinct from each other as in the example of FIG. 10 described below. after or
  • FIG. 10 allows the commissioning of a supersonic air compression device with high compression ratio, using an inefficient starting compressor It consists of two separate devices installed in series one first sonic device according to FIG. 2 3 with upstream core allowing an adjustment of air flow and whose
  • suction line includes a filter, silencer, compressor, and an oil burner followed by a supersonic downstream device according to FIG. 9 with upstream and downstream novals, the suction line of which includes an air heat exchanger at l using a thermal fluid, the discharge line of the downstream device includes a recovery exchanger allowing to heat the thermal fluid followed by a second recovery exchanger allowing to heat 1 water of n ⁇ o spraying
  • the first upstream device is only used during the commissioning of the installation, to ensure sufficient overpressure to allow the start of the second device, after which the first is stopped
  • the second downstream device (according to FIG. 9), use in normal operation and therefore must be
  • the two devices are nested, it consists of a supersonic device according to FIG. 9 in which the conduits" N2 ",” NT “” N3 “and” D “are grouped in a single slightly diverging conduit, and in which the zone “C l” can play the role of the zones “C l” and “C2” of the sonic device represented in FIG. 2 3,
  • the novel “K2” of the supersonic device comprises spray nozzles distributed throughout its axis, and can play the role of the 80 core “K l” of the sonic device represented in FIG. 2 3
  • FIG.3 is also a simplified version of a sonic device ⁇ mb ⁇ .; Eu in a supersonic device to facilitate commissioning it consists of a supersonic device according to Figure 7 with variable geomet ⁇ e nozzles by walls
  • the convergent "CG" of the supersonic device can play the role of the convergent "C l" and “C2" of the sonic device represented in FIG. 2 3
  • the convergent "CG” of the supersonic device comprises in addition spray nozzles "R" distributed along its axis, which play the same role as the spray nozzles distributed in the area "C2" of the sonic device
  • the sonic device's spray nozzles are also gradually stopped, the entire installation then operates as a supersonic device alone, and the flow rate adjustments compression rate, and installation efficiency can be achieved by adjusting the burner, the flow rate of liquid sprayed, and the sections of each of the two necks of the device
  • figure 10.4 allows, in a very simplified way, to obtain the same result as the examples of figures 10 and 10 2, that is to say that it allows the putting into service of a compression device supersonic air with high compression ratio, using a low-performance starting compressor, it consists of a supersonic device according to FIG. 8 and a sonic device according to FIG. 2 4 installed in series and nested one in the other
  • conduits “NT '”, “N2” “NT” and “N3” are combined into a single weakly converging conduit, and the new “K3” and the spray nozzle “R” of the supersonic device are also used as the core “K l” and as the nozzle “R” of the sonic device when the latter is used During the commissioning of the installation, the sonic device is only used (the new “K2”
  • a device according to FIG. 10 2 making it possible to compress nearly 20,000 Nm3 of air from 1 bar A to 2 5 bar A-, and making it possible to adjust the flow rate and the rate of
  • the device according to the invention finds its applications in industrial processes using compressed gases, compressed air, or water vapor, with particular interest with regard to thermoelectric power plants (see examples 5, 6, 7, 8, and 9 below (840 below), it allows for example the following installations to be carried out with equipment costs, maintenance costs, and competitive energy yields
  • the suction line comprises if necessary an exchanger thermal enabling 55 low pressure steam to overheat
  • thermodynamic cycle close to 500 to 700 ° C
  • conventional power plants 250 ° C to 3 10 ° C, corresponding to the boiling of steam at 40 to 100 bar
  • energy yields which can exceed 45% 865 6-Thermoelectric power stations with gas turbines, in which a device according to FIG. 9 for example but without a burner, installed on the smoke circuit downstream of the turbine, uses the latent heat of the smoke to recomp ⁇ mer part of the smoke before reinjecting them downstream of the compressor of the gas turbine, making it possible to reduce the flow rate and therefore the power consumed by this compressor, such a cycle makes it possible, for example, to wear
  • such a cycle also allows to increase from 27% to almost 45% the output of a gas turbine, with of course the corresponding adaptations of the 8-power thermoelectric turbine using the compression cycle of the dispositi and consist for example of the device of Figure 10 plus 1 with a turbine air "TB" installed downstream of the burner of the suction line and air-steam turbines installed on the line

Description

COMPRESSEUR THERMOCLNETIQUE
DESCRIPTION
La présente invention concerne un compresseur d'air ou de tout autre gaz a faible coût de revient, dont l'énergie primaire utilisée dans le cycle de compression n est pas de l'énergie mécanique ou electπque comme dans la plupart des compresseurs, mais directement de l'énergie thermique , ce compresseur ne comporte aucune partie mobile soumise a usure, et les pertes d'énergie dues aux frottements ainsi que l'excédent de chaleur de la source froide du cycle peuvent être récupères pour être réutilises dans le cycle de compression ou pour générer de la vapeur sous pression qui, mélangée au gaz comprime, en augmente le débit Ce dispositif trouve son application dans la compression ou la mise sous vide partiel de tout gaz industriel, mais son cycle thermique le prédestine particulièrement a la réalisation de centrales thermo-energetiques a rendement eleve, a la réalisation de systèmes d'économie d'énergie tels que la recompression mécanique de vapeur, ou a la récupération et reconversion d'énergie thermique résiduelle
Les compresseurs classiques sont traditionnellement constitues de dispositifs dans lesquels 1 énergie de compression du gaz est fournie sous forme d'énergie mécanique ( compresseurs volumetπques, compresseurs centrifuges ou axiaux, ) ou d'énergie potentielle ou cinétique d'un autre gaz (ejecteurs) , de tels compresseurs 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 ejecteurs), dus essentiellement
-Aux multiples conversions d'énergie dans les équipements utilises Moteurs thermiques ou Turbines pour convertir de l'énergie thermique en énergie mécanique ou electπque, éventuellement alternateurs et moteurs électriques pour retransformer l'énergie electπque en énergie mécanique, puis enfin compresseurs pour transférer l'énergie mécanique au gaz a compπmer,
-Aux températures relativement basses utilisées lors de la première transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique, -Au réchauffement du gaz a comprimer lors de sa compression ( ce qui l'eloigne inéluctablement d une compression adiabatique) , -Λux frottements mécaniques et aux pertes d'énergie cinétique du gaz a comprimer -A la non-recuperation , 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, que même des lavages fréquents (cas 45 des compresseurs des turbines a gaz) ne peuvent qu'atténuer
Le dispositif selon l'invention permet de remédier a la plupart de ces inconvénients par l'utilisation d un cycle différent , consistant a prétraiter le gaz a comprimer et a lui fournir directement de l'énergie thermique si sa température n'est pas assez élevée, a détendre ce dernier
→v) a une vitesse subsonique, sonique, ou supersonique a travers des tuyères de détente, a effectuer un prélèvement de chaleur a haute vitesse (et donc a basse température) par pulvérisation (et evaporation) contrôlée de liquide repartie dans une tuyère de détente-refroidissement (la tuyère permettant de maintenir une vitesse élevée), et enfin a recompπmer ce gaz dans une tuyère de compression adiabatique afin de ramener sa vitesse a une valeur d'écoulement normale les 5 tuyères de détente, de détente-refroidissement, et de compression adiabatique peuvent être équipées d'un système de geometπe 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 a basse température provoque une chute d'entropie considérable dans le gaz a comprimer, qui se traduit par une pression en sortie du dispositif très supérieure a la
60 pression d'entrée
Dans ce dispositif, les pertes d'énergie dues aux pertes de charge du gaz a comprimer ainsi que les déperditions thermiques par les parois du dispositif se retrouvent réinjectées sous forme de chaleur dans le gaz a comprimer, diminuant d'autant l'apport thermique initial De même, la chaleur excédentaire de la source froide est évacuée par l'evaporation du liquide
(>5 pulvérise, ce qui augmente d'autant le débit de gaz comprime en sortie du dispositif cette augmentation du débit, qui peut être éliminée en sortie du dispositif par condensation, est utile pour certaines applications du dispositi et en particulier pour la réalisation de centrales thermo- electπques ou elle se substitue très avantageusement aux générateurs de vapeur dans des centrales a vapeur et surtout dans des centrales a cycles combines
"o 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 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
7 s figure 1, le dispositif selon l'invention utilise un écoulement subsonique ou sonique , il comporte une ligne d'aspiration équipée pour pre-traiter et rechauffer le gaz a compπmer si nécessaire une chambre d'admission « C » optionnelle destinée a tranquilliser le flux gazeux avant son admission dans un convergent de détente « C l » permettant d'accroître sa vitesse jusqu a la itesse sonique éventuellement, une zone de transition « N » optionnelle, une tuyère convergente
80 de Détente Refroidissement « C2 », un svsteme de refroidissement « R » constitue d'un ensemble de buses de pulvérisation d'eau (ou autre liquide) de débit et/ou de position réglables a partir de 1 extérieur du dispositif reparties le long des zones « N » et « C2 » et destinées a extraire de la chaleur de 1 air (ou du gaz a comprimer) par evaporation du liquide injecte, et enfin un divergent de compression adiabatique « D » destinée a comprimer le gaz en réduisant sa 85 vitesse jusqu a une vitesse d'écoulement normale (de l'ordre de 10 a 50 m/s) avant son admission dans une chambre de tranquillisation « T » (Optionnelle) et son refoulement dans une conduite d'évacuation
La zone de transition « N » assure une liaison continue entre les extrémités de « C 1 » et « C2 » avec une génératrice a pente monotone, et sans angle
90 Selon le besoin auquel est destine le gaz a comprimer, 1 aspiration peut être équipée des éléments optionnels supplémentaires suivants Filtre d'aspiration « F » Silencieux « S » Compresseur primaire « CP » destine a la mise en service du dispositif ou a une pre-compression du gaz a comprimer Echangeurs thermiques « E l » « E2 » « En » (utilisant, directement ou a 1 aide d'un fluide intermédiaire, la chaleur résiduelle contenue dans le gaz comprime en sortie du dispositif ou toute autre source de chaleur disponible par ailleurs) et Brûleur « B » (alimente en combustible) destines a rechauffer le gaz a comprimer si sa température n'est pas suffisamment élevée a 1 entrée du dispositif, et enfin Turbine de détente « TB » destinée a transformer éventuellement 1 énergie de compression en énergie mécanique De même, selon le contexte d'utilisation du dispositi la conduite d'évacuation peut être équipée
100 d'éléments optionnels 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 comprime du dispositif Silencieux « S' » , ces équipements peuvent n être alimentes que par une partie du gaz comprime et peuvent être installes en aval d'un brûleur et d'une turbine si le dispositif est destine a une production d'énergie mécanique ou electπque
105 Le rechauffage du gaz en amont de « C » permet de le surchauffer pour éloigner sa température de la température de saturation avec le liquide pulvérise selon le taux de compression et le rendement recherches, la température de surchauffe peut s étendre de 100°C jusqu a plus de 1500°C Lors de son écoulement dans la tuyère convergente de Détente / Refroidissement « C2 » le gaz
1 lo est a chaque instant détendu et mis en vitesse dans la tuvere convergente, et simultanément refroidi par l'evaporation du liquide pulvérise, ce qui provoque sa contraction en régime sonique ou subsonique et donc une chute de vitesse (avec chute d entropie et augmentation de pression) qui atténue ou supprime la tendance a l'accroissement de vitesse due au convergent la répartition de la pulvérisation et de l'evaporation le long de la zone neutre « N » et de la tuvere
1 15 « 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 »
Λ cet effet le svsteme de refroidissement « R » permet d ajuster la répartition du refroidissement le long de 1 axe de « C2 » par tout moven permettant le réglage du débit et/ou de la position de
120 chaque buse un exemple de réalisation, représente sur la figure 1 1 montre des buses disposées dans des ailettes radiales reparties le long de l'axe de « C2 », avec possibilité de régler manuellement ou automatiquement a partir de l'exteπeur le débit de liquide injecte dans chaque rangée de buses fa l'aide de vannes externes) , un second exemple de réalisation préférentielle représente sur la figure 1 2, montre des buses de pulvérisation reparties le long de l'axe du
125 dispositif dans les zones « N » et « C2 » et disposées en extrémité de tubes concentriques coulissants axialement , les tubes sont supportes par des paliers filetés en extrémité de la chambre d'admission, les filetages permettant de régler manuellement ou automatiquement a partir de l'extérieur la position de chaque buse de pulvérisation , des vannes externes permettent de régler le débit de chaque buse
PO Bien entendu le dispositif peut être conçu avec une seule buse de pulvérisation, mais il présente alors un rendement dégrade
Afin de réduire la longueur de la zone « C2 » et donc de diminuer les pertes de charge du gaz a comprimer a travers le dispositif, les buses de pulvérisation retenues sont preferentiellement des buses a haute vitesse d'injection et a dimensions minimales des gouttelettes telles que des buses
P5 a haute pression avec assistance a l'air comprime ou a la vapeur, et éventuellement a ultra-sons ou a micro-ondes
Pour des températures de gaz a l'entrée de « C » inférieures a 300°C, les parties « C », « C l » « N », « C2 », « D », et « T » peuvent être réalisées en acier au carbone, en acier inoxydable ou tout autre matériaux compatible avec le gaz a comprimer et présentant une bonne résistance
140 mécanique et une bonne résistance a l'abrasion a 300°C , pour des températures de gaz a l'entrée de « C » supérieures a 300°C, ces parties peuvent par exemple être réalisées en acier au carbone revêtu intérieurement de calorifuge ou de refractaire, en acier au carbone ou inoxydable avec double enveloppe (refroidie a l'eau ou au gaz a comprimer, ces derniers pouvant être réutilises dans le dispositif), en céramique, ou tout autre mateπau dote d'une bonne résistance mécanique
145 et d une bonne résistance a l'abrasion aux hautes températures
A titre d'exemple de réalisation, le dispositif selon la figure 1 permet de comprimer de 1 bar A a 2,5 bar A près de 30 000 Nm3 /heure d'air , a partir des éléments suivants -Une ligne d'aspiration d'air de diamètre intérieur 0,6 m en acier au carbone incluant un compresseur primaire de démarrage capable de développer une surpression de 100 mbar et un
Pô brûleur fonctionnant au gaz naturel avec revêtement intérieur de la ligne d'aspiration en béton refractaire au niveau du brûleur et en aval , le brûleur permet de préchauffer l'air a une température voisine de 1200 °C -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 p -Une zone de transition « N » cvlindπque 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 -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
160 -Un echangeur thermique entre l'air comprime en sortie de « T » et 1 air a l'aspiration La chambre d'admission « C » est réalisée en acier au carbone revêtu inteπeurement de béton refractaire, tandis que « C l », « N », « C2 », « D », et « T » sont réalises en acier au carbone a double enveloppe refroidie par circulation de l'air a compπmer avant son entrée a l'aspiration d'air , les buses de pulvérisation, installées sur (et alimentées par) un système de tubes
165 coulissants concentriques en acier au carbone de diamètre extérieur 60 mm traversant la chambre d'admission, sont reparties dans « C2» et permettent d'injecter près de 4,7 kg seconde d'eau a 200 m/seconde avec des dimensions moyennes de gouttelettes voisines de 10 μm VARIANTE 2 Une variante 2, concernant un écoulement sonique ou subsonique , représentée sur les figures
170 2 1, 2 2, 2 3 et 2 4, permet de régler le débit du gaz a comprimer, le taux de compression, et le rendement énergétique du dispositif Dans cette variante, la zone « C2 » (Tuyère de détente/ refroidissement) et la zone « D » (divergent de compression adiabatique) de la version de base 1 sont remplacées par une tuyère convergente et une tuyère divergente les deux a géométrie variable ce qui permet d'ajuster la section de sortie de « C2 » et la section d'entrée de « D » et
175 donc la section du col entre « C2 » et « D » , le système de géométrie variable, commande 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 deformables sur les tuyères « C2 » et « D » comme présente dans l'exemple de la figure 2 1, ou l'adjonction d'un noyau profile « K » ou « Kl » pouvant coulisser axialement dans les zones « N », « C2 », et « D » et fixe sur un
180 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 a parois deformables, la zone « C2 » et la zone « D », sont constituées de lamelles d'acier flexibles se chevauchant et disposées régulièrement sur les generatπces du dispositi et leurs extrémités sont soudées sur les
185 rebords de la zone de transition « N » et de la chambre de tranquillisation des colliers de serrage circulaires ou tout autre système (veπns, etc ) permettent de modifier la section centrale du dispositi qui constitue alors le col des zones « C2 » et « D »
Les autres éléments du dispositif sont identiques a ceux décrits dans la version de base 1 L exemple de réalisation représente sur la figure 2 1 présente les mêmes performances que
190 l'exemple précèdent concernant le cas de base 1, avec la possibilité de modifier le débit et le taux de compression du gaz a compπmer
L'exemple de la figure 2.2 concerne une tuyère de section rectangulaire il est équipe d'un système réglable constitue d'un noyau « K » coulissant axialement dans les zones « N » « C2 » et « D, et dont l'axe est fixe sur un arbre traversant par exemple 1 une (ou les deux) extrémités du
195 dispositif la position axiale du noyau « K » peut être réglée manuellement ou automatiquement a partir de 1 exteneur par un filetage dispose sur un palier, par un veπn externe ou par tout autre svsteme externe
Les buses de pulvérisation sont reparties dans les zones « N » et « C2 » Les autres éléments du dispositif sont identiques a ceux décrits dans la version de base 1 200 Le novau « K » est une pièce de section rectangulaire dont deux faces opposées parallèles a l'axe sont juxtaposées aux faces de la tu /er les deux autres faces du noyau ont un profil aérodynamique permettant de minim ser les pertes de charge du gaz a comprimer , chacune 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
205 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 détente/refroidissement « C2 » et le divergent de détente adiabatique « D» Selon l'application recherchée pour le dispositif et selon les températures du gaz a comprimer a
210 1 entrée de la chambre d'admission « C », le noyau « K» peut être réalise en acier au carbone
(températures inférieures a 300°), en acier inoxydable, en acier refroidi par circulation interne de fluide de refroidissement, en céramique, ou en tout autre mateπau présentant une bonne tenue a l'abrasion et aux températures mises en œuvre L'exemple de la Figure 2.3 concerne un dispositif de section circulaire, il est équipe d'un
215 système réglable constitue d'un noyau « K » coulissant axialement dans les zones « N » « C2 » et « D » le noyau étant fixe sur un arbre traversant par exemple l'une (ou les deux) extrémités du dispositif , la position axiale du noyau « K » peut être réglée manuellement ou automatiquement a partir de l'exteπeur par un filetage dispose sur un palier, par un veπn externe, ou par tout autre système externe
220 Les buses de pulvérisation sont reparties dans les zones « N » et « C2 »
Les autres éléments du dispositif sont identiques a ceux décrits dans la version de base 1 Le noyau « K » est une pièce de révolution pleine dont le profil aérodynamique permet de minimiser les pertes de charge du gaz a compπmer , il est constitue d'une partie amont « K'» de section constante ou croissante dans le sens d'écoulement du gaz, d'une partie aval « K'"» de
225 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 détente/refroidissement « C2 » et le divergent de détente adiabatique « D»
2">o Selon 1 application recherchée pour le dispositif et selon les températures du gaz a comprimer a l'entrée de la chambre d'admission « C », le novau « K» peut être réalise en acier au carbone (températures inférieures a 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 a 1 abrasion et aux températures mises en œuvre
2"!5 L exemple de réalisation représente sur la figure 2 3 montre un arbre traversant « K » et supporte par un palier place 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 novau et des buses de pulvérisation Lors de l'écoulement du gaz a comprimer dans le convergent de détente/refroidissement « C2 »,
240 l'espace libre compris entre « K'"» et « C2 » constitue une tuyère convergente qui assure le même rôle que la tuvere convergente de compression/ refroidissement « C2 » décrite dans la variante 1 , le col (c est a dire la section de passage minimale) de cette tuyère convergente est situe légèrement en amont du col de sortie de « C2 » et sa section Ss peut être modifiée a tout moment a partir de l'extérieur par ajustement de la position axiale du noyau « K»
245 Cet ajustement de la section Ss au col, accompagne d'un ajustement de débit du liquide pulvérise, permet de modifier le débit du fluide a comprimer, ou encore de modifier le taux de compression et le rendement énergétique du dispositif par modification de la température de rechauffage du gaz a l'entrée de la chambre d'admission L'exemple de réalisation représente sur la figure 2 3 présente les mêmes performances que
250 l'exemple précèdent concernant le cas de base 1. avec les modifications suivantes permettant d'ajuster le débit et le taux de compression du gaz a compπmer -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 » deviennent respectivement 0,45m et 0,22m ,
255 -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, l m en sortie de « K'" », et de longueur totale 1,0 m avec filetage de réglage de position L'exemple de la figure 2.4 concerne lui aussi un dispositif de section circulaire, le principe est
260 identique a celui de la variante 2 3, mais ici le noyau est installe en aval du dispositif
Le dispositif est équipe d'un noyau « Kl » coulissant axialement dans les zones « N » « C2 » « D » et « T », et dont l'axe est fixe sur un arbre traversant par exemple l'une (ou les deux) extrémités du dispositif , la position axiale du novau « Kl » peut être réglée manuellement ou automatiquement a partir de l'extérieur par un filetage dispose sur un palier, par un veπn externe
265 ou par tout autre système externe
Les buses de pulvérisation sont reparties dans les zones « N» et « C2 » Les autres éléments du dispositif sont identiques a ceux décrits dans la version de base 1 Le noyau « Kl » est une pièce de révolution pleine dont le profil aérodynamique permet de minimiser les pertes de charge du gaz a comprimer , il est constitue d'une partie amont « K l »
270 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 « K'" l » La partie « K' 1 » du noyau coulisse dans le col compπs entre la tuvere de détente /
275 refroidissement « C2 » et le divergent de détente adiabatique « D»
Selon 1 application recherchée pour le dispositif et selon les températures du gaz a comprimer a 1 entrée de la chambre d'admission « C » le novau « K l » peut être réalise en acier au carbone (températures inférieures a 300°), en acier inoxvdable, en acier refroidi par circulation interne de fluide de refroidissement, en céramique, ou en tout autre matériau présentant une bonne tenue a
280 l'abrasion et aux températures mises en œuvre
L exemple de réalisation représente sur la figure 2 4 montre un arbre traversant le noyau « Kl » de part en part et reposant sur des paliers places dans la chambre d'admission et dans la chambre de tranquillisation, ce dernier incluant un filetage de réglage de position Lors de 1 écoulement du gaz a comprimer dans la zone « C2 » 1 espace libre compris entre
285 « K l » et le conduit « C2» constitue une tuyère convergente qui assure le même rôle que la tuvere convergente de compression refroidissement « C2 » décrite dans la version de base 1 le col (c'est a dire la section de passage minimale) en aval de cette tuvere convergente est en gênerai situe en aval du col de sortie de « C2 », et sa section Ss peut être modifiée a tout moment a partir de l'extérieur par ajustement de la position axiale du noyau « K l »
290 Cet ajustement de la section Ss au col, accompagne d'un ajustement de débit du liquide pulvérise, permet de modifier le débit du fluide a comprimer, ou encore de modifier le taux de compression et le rendement énergétique du dispositif par modification de la température de rechauffage du gaz a l'entrée de la chambre d'admission A. titre d'exemple de réalisation, le dispositif représente sur la figure 2 4 présente les mêmes
295 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 a comprimer -Les diamètres d'entrée et de sortie de la tuyère convergente de detente/retroidissement « C2 » deviennent respectivement 0,60 m et 0,36 m , -Le diamètre d'entrée du divergent « D » devient 0,36 m , et sa longueur devient 0,5 m ï o -Rajout d un novau « K » en acier inoxydable refroidi par circulation interne d'eau de diamètre maximum 0,35 m, de diamètre minimum 0,07 m a entrée de « K'» et a la sortie de « K' » de longueur totale 1 0 m, supporte par un arbre de diamètre 70 mm reposant sur des paliers installes en « C » et en « T », avec filetage de réglage de sa position -Le système de buses de pulvérisation est identique a celui de l'exemple de réalisation du cas de
"0 base 1 mais les tubes coulissants sont loges dans l'arbre support du novau VA.RLANTE 3
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 que décrit dans la version de base 1 par l'obtention d'une grande différence de température du
" lo fluide entre l'entée dans la chambre d'admission « C » et la zone de refroidissement
Les modifications par rapport a la version de base 1 concernent d'une part l'utilisation du convergent de détente « C l » dans lequel le fluide a comprimer est systématiquement détendu jusqu a la itesse sonique, et d'autre part le remplacement des parties « N » (zone de transition) et « C2 » (tuyère convergente de détente/ refroidissement) par une tuyère divergente de détente
" 1 supersonique « D l », suivie d'une zone de transition « NT » d'une tuyère convergente de compression refroidissement « C3 », et d'une tuyère convergente de compression adiabatique « C4 » (optionnelle), le svsteme de buses de pulvérisation « R » identique a celui de la version de base 1 est installe dans la zone « C3 » et éventuellement, comme décrit par la suite, dans les zones « D 1 » et/ou « NT » 20 La zone de transition « NT » assure une liaison continue entre les extrémités de « D l » et « C3 » avec une génératrice a pente monotone, et sans angle
Les autres éléments du dispositif sont identiques a ceux décrits dans la version de base l Le fluide a comprimer est rechauffe en amont de la zone « C » jusqu'à une température pouvant largement dépasser 1000 a 1500°C, puis détendu tout au long des zones « C l » et « Dl » qui
"25 constituent une tuyère convergente/ divergente de détente supersonique (vitesse sonique au col) jusqu'à une pression Pa une vitesse Va et une température Ta, et enfin comprime (avec élévation de température) dans la tuvere convergente de compression refroidissement « C3 » avec, simultanément dans la même tuyère « C3 », prélèvement de chaleur par evaporation de liquide pulvérise , la tuyère convergente de compression adiabatique « C4 » permet de ramener le fluide
"30 a la vitesse sonique avant sa compression adiabatique subsonique dans le divergent de compression adiabatique « D » et son évacuation
Le système de pulvérisation est constitue d'une seπe de buses dont les positions et/ou les débits peuvent être ajustes manuellement ou automatiquement a partir de l'extérieur, selon le même concept que dans la version de base 1 , l'evaporation des gouttelettes pulvérisées (prélèvement
""5 de chaleur) peut être effectuée dans la zone « Dl » (cycle se rapprochant 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 effectue dans les zones « NT » ou « C3 » (cycle se rapprochant d'une transformation isotherme), les buses de pulvérisation étant reparties dans la zone « C3 » et éventuellement, par anticipation, dans la zone de transition « NT » (pour tenir
"ι40 compte du temps de décalage entre la pulvérisation et l'evaporation)
Le rendement énergétique theoπque du dispositif est d'autant plus eleve que la température du gaz a comprimer a l'entrée de « C » est eleve et que la température de détente Ta est basse, cette dernière restant cependant supérieure a la température de saturation Ts du gaz vis-a-vis du liquide pulvérise (la différence de température DT=Ta-Ts étant nécessaire pour 1 evaporation du
"45 liquide pulvérise a l'entrée des zones « NT » et « C3 ») dans le cas particulier ou Ta est inférieur a Ts, l'evaporation du liquide pulvérise (et donc le prélèvement de chaleur dans le gaz a compπmer) ne commencera en « C3 » que lorsque, sous l'effet de la compression, la température réelle du gaz aura dépasse sa température de saturation L evaporation du liquide pulvérise et le prélèvement de chaleur dans les zones « NT » et « C3 »
"50 seront d autant plus rapides que les gouttelettes pulvérisées sont de petite dimension et que la différence de température DT=Ta-Ts est élevée, avec comme conséquence directe une diminution de la longueur de « C3 » et une diminution de la perte de charge du gaz a comprimer a travers « C3 » dans la pratique, des dimensions de gouttelettes de l'ordre de 5 a 30 um, et des écarts de température DT=l a-Ts de l'ordre de 10°C a 100°C, conduisent a des dimensions du
"ô5 dispositif et a des pertes de charge du gaz a travers « C3 » tout a fait acceptables
Le dimensionnement du dispositif dépend bien évidemment en premier lieu du débit et des caractéristiques du gaz a compπmer, ainsi que de la pression de sortie recherchée ces critères. étant fixes, les choix de la tempérât are de rechauffage du gaz en amont de « C », du taux de détente a travers « C l » et « C2 » (et donc de Pa, Va, Ta), et des dimensions des gouttelettes, "60 résultent d'un compromis entre les équipements standards disponibles sur le marche (divers types de buses de pulvérisation, matériaux, ), les dimensions et le prix du dispositif, et son rendement énergétique A titre d'exemple de réalisation, un compresseur d'air constitue d'un dispositif selon la figure
3 permet de comprimer de 1 bar A a 1,5 bar A près de 20000 Nm3 par heure d'air, a partir des "565 éléments suivants
-Une aspiration d'air de diamètre intérieur 0,47 m en acier au carbone revêtu intérieurement de béton refractaire avec un compresseur primaire de démarrage capable de développer une surpression de 500 mbar et un brûleur fonctionnant au gaz naturel et permettant de rechauffer 370 -une chambre d'admission « C » de diamètre 0,97 m et de longueur 1, 16 m,
-une tuyère convergente de détente subsonique « C l » de diamètre au col voisin de 0,295 m, et de longueur 0,670 m, -une tuyère divergente de détente supersonique « Dl » de diamètre d'entrée voisin de 0,295 m de diamètre de sortie voisin de 0,388 m, et de longueur 0,2 m dans laquelle l'air est détendu 375 jusqu'à 0, 1 bar A a près de 370 °C et 1 160m/s,
-une tuyère convergente de compression/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 80 sortie voisin de 0,7 m, et de longueur lm,
-une chambre de tranquilisation « T » de diamètre 0,7 m et de longueur 0,84 m,
- un système de buses de pulvérisation a ultra-sons avec assistance a l'air comprime, capable de pulvériser 1,22 kg par seconde d'eau, avec un diamètre de gouttelettes voisin de 5 μm, -un echangeur thermique permettant de refroidir l'air comprime a la sortie de « T », et de 385 rechauffer l'air avant son entrée dans « C » a près de 480 °C
La chambre d'admission « C » est réalisée en acier au carbone revêtu intérieurement de béton refractaire, tandis que « Cl », « Dl», « C3 », « C4 », « D », et « T » sont réalises en acier au carbone a double enveloppe refroidie par circulation de l'air a comprimer avant son entrée a l'aspiration d'air , les buses de pulvérisation a ultra-sons, installées sur (et alimentées par) un 90 système de tubes coulissants concentπques en acier au carbone de diamètre extérieur 40 mm traversant la chambre d'admission, sont reparties dans « C3» VARL NTE 4 Une variante 4, concernant elle aussi un écoulement supersonique, est représentée sur la figure
4 , elle découle de la variante 3 et permet d'en simplifier le concept en remplaçant le système de 395 buses de pulvérisation reparties le long de l'axe du dispositif par une buse axiale unique ou par des buses radiales, placee(s) a l'entrée de la zone « C3 » ou dans la zone de transition « NT » (cette dernière disposition permettant d'anticiper le décalage de temps entre la pulvérisation et l'evaporation du liquide injecte), le débit et la position axiale de ces buses peuvent être règles manuellement ou automatiquement a partir de l'extérieur du dispositif Les autres éléments du dispositif sont identiques a ceux décrits pour la variante 3
La figure 4 représente un exemple de réalisation avec une buse unique située sur l'axe du dispositif a l'extrémité d'un arbre traversant la chambre d'admission, et dont le débit et la position peuvent être règles (manuellement ou automatiquement) a partir de l'extérieur la figure 4 1 représente un autre exemple de réalisation avec plusieurs buses axiales du même type, et i figure 4 2 représente un troisième exemple de réalisation avec des buses a débit réglable disposées sur des ailettes radiales L'exemple de la figure 4, qui est le plus pratique, sera seul mentionne dans le reste du descπptif
Dans cette variante la totalité du débit de fluide pulvérise est injecte en début du cycle de prélèvement de chaleur, dans la zone « NT » ou a l'entrée de « C3 » , Le gaz a comprimer est rapidement sature a l'entrée de « C3 » par l'evaporation d'une partie des gouttelettes, le reste des gouttelettes restant en suspension dans le flux gazeux , a mesure de son avancée dans la tuyère de compression/ refroidissement « C3 », le gaz est comprime avec élévation de sa température et eloignement de l'état de saturation précèdent, ce qui permet la vaporisation supplémentaire de gouttelettes , cet équilibre continu permet d'extraire de la chaleur du gaz a comprimer tout au long de la zone « C3 » ou jusqu'à l'evaporation totale des gouttelettes injectées, et ceci en maintenant le gaz a compπmer dans un état très proche de sa saturation tout au long de l'axe de « C3 » en chaque point de cet axe, la différence de température DT entre la température réelle du gaz et sa température de saturation s'équilibrera a 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 thermodynamique du dispositif en maintenant la source froide a la température minimale compatible avec le processus
A titre d'exemple de réalisation, le dispositif représente sur la figure 4 comporte les mêmes éléments et présente les mêmes performances que l'exemple de réalisation de la variante 3 a l'exception du remplacement du système de buses de pulvérisation par une buse axiale unique VARIANTE 5
Une variante 5, concernant un écoulement supersonique, découle des variantes 3 ou 4 et permet de régler a tout moment le débit du gaz a comprimer, le taux de compression, et le rendement énergétique du dispositif , dans cette vaπante, le convergent « Cl » et le divergent « D l »des variantes 3 et 4 sont remplacées par une tuyère convergente suivie d'une tuyère divergente les deux a geometπes variables, ce qui permet d'ajuster la section du col compris entre ces deux tuyères , le système de géométrie variable, commande depuis l'extérieur du dispositif est obtenu par tout mécanisme permettant de modifier la section de passage du col compris entre « C l » et « D l » tels que ceux décrits dans les exemples ci-apres Dans l'exemple de la figure 5, le système a géométrie variable est obtenu par remplacement de « C l » et « D l » par une tuyère convergente «CG » a geometπe variable suivie d'une zone de transition optionnelle « NT1» puis d une tuyère divergente « DG » a geometπe variable elle aussi les trois a parois deformables de façon a modifier la section du col compris entre les deux tuyères le système de parois deformable peut être du même type que celui décrit au chapitre 2 1 et représente sur la figure 2 1 par exemple Selon les conditions d'utilisation du dispositi la tuyère « DG » peut être équipée d'un système 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 « NT 1» assure une liaison continue entre les extrémités de « CG » et « DG » avec une génératrice a pente monotone, et sans angle La vitesse du gaz a comprimer devant être sonique dans le premier col du dispositif (et dans le 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 a 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 a comprimer, soit sa température a l'entrée du premier col (et éventuellement le débit de liquide pulvérise, ce qui entraîne une modification du taux de compression du dispositif et de son rendement), soit les deux simultanément Les autres éléments du dispositif sont identiques a ceux décrits dans les variantes 3 ou 4 Dans l'exemple préférentielle de la figure 5.1, la zone « D l» (tuyère divergente de détente supersonique) des variantes 3 ou 4, est remplacée par un système réglable constitue d'une zone de transition optionnelle « NT'» suivie d'un conduit «N2» légèrement divergent de préférence avec adjonction d'un noyau profile « K2» coulissant axialement dans le convergent de détente subsonique « C 1 », dans la zone de transition « NT'», et dans le conduit « N2 » , le noyau est fixe 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 a partir de l'extérieur du dispositif par un filetage dispose sur un palier, par un veπn externe, ou par tout autre système le permettant
Le svsteme de pulvérisation peut être loge dans la zone « NT », dans la zone « C3 » ou en extrémité aval de « K'"2» (voir ci-apres) Le noyau « K2 » est une pièce dont le profil aérodynamique permet de minimiser les pertes de charge du gaz a compπmer , il est constitue d'une partie amont « K'2» de section constante ou croissante dans le sens d'écoulement du gaz, d'une partie aval « K'"2» de section décroissante 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 generatπce de « K'2» et celle de « K' "2» La partie « K' "2» du noyau « K2» est logée dans le convergent de détente subsonique « C l » dans la zone de transition « NT' », et dans le conduit « N2 »
Selon 1 application recherchée pour le dispositif et selon les températures du gaz a comprimer a l'entrée de la chambre de combustion « C », le noyau « K2» peut être réalise en acier au carbone (températures inférieures a 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 a 1 abrasion et aux températures mises en œuvre
L exemple de réalisation représente sur la figure 5 1 montre un novau « K2 » supporte par un arbre qui le traverse axialement, reposant lui-même sur un palier place 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 »
480 Lors de l'écoulement du gaz a comprimer dans le convergent de détente « C l », l'espace libre compris entre « K'2» et « C l » constitue une tuyère convergente de détente subsonique qui assure le même rôle que la tuyère convergente de détente subsonique « C l » des variantes 4 ou 5 et l'espace libre compris entre « K'"2 », « NT' », et « N2 » constitue quand a lui une tuyère divergente de détente supersonique qui assure le même rôle que la tuyère «D l » des variantes 3
485 ou 4 , le col (c'est a dire la section de passage minimale) entre ces deux tuyères de la figure 5 1 est généralement situe entre la section maximale de « K2 » et la section de sortie de « C 1 » et sa section S's peut être modifiée a tout moment a partir de l'extérieur par ajustement de la position axiale du noyau « K2» Selon les conditions d'utilisation du dispositi le conduit « N2 » peut être légèrement
490 convergent, afin de faciliter la mise en service du dispositif dans des conditions subsoniques 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 a comprimer -Remplacement du divergent de détente supersonique « Dl » par une zone de transition « NT' »
495 et un conduit divergent « N2 », l'ensemble présentant un diamètre d'entrée voisin de 0 295 m, un diamètre de sortie voisin de 0,388 m, et une longueur de 0,2 m, l'air y étant détendu a 0, 1 bar A , la zone de transition « NT' » et le divergent « N2 » sont réalises en acier au carbone a double enveloppe, - Rajout d'un noyau « K2 » en acier inoxydable refroidi par circulation interne d'eau de diamètre
500 maximum 0,293 m, de diamètre minimum 0,04 m a entrée de « K'2» et a la sortie de « K" 2 » de longueur totale 0,9 m, supporte par un arbre de diamètre 40 mm reposant sur un palier installe en « C « , avec filetage de réglage de sa position -La buse de pulvérisation est identique a celle de l'exemple de réalisation de la variante 4 mais le tube coulissant permettant de l'alimenter en eau est loge dans l'arbre support du novau K_2
505 VARIANTE 6
Une variante 6, concernant un écoulement supersonique, découle des variantes 3 ou 4 decπtes ci- dessus et permet elle aussi de modifier a 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 10 certains cas se développer dans les zones « D 1 » « NT », ou « C3 » des variantes 3 ou 4, le principe de cette variante est identique a celui de la variante 5, mais la géométrie variable concerne le second col du dispositif , dans cette vaπante, les zones « C3 » »C4 » et »D » des variantes 3 et 4 sont remplacées par un système a géométrie variable commande depuis l'extérieur du dispositif et permettant de modifier la section du col compris entre « C3 » et
515 « D » le système de géométrie variable est obtenu par tout mécanisme permettant de modifier la section de ce col tels que ceux décrits dans les exemples ci-apres Dans l'exemple de la figure 6, le système de géom trie variable est obtenu par remplacement de « C3 » « C4 » et « D » par une tuyère < CGI » a parois deformables pouvant être réglée pour être de préférence légèrement divergente lors de la mise en service du dispositif puis
520 convergente par la suite (cette tuyère faisant alors office de tuyère convergente de détente/refroidissement « C3 » et de tuyère convergente de compression adiabatique « C4 »), suivie d une tuyère « DG1 » divergente a parois deformables elle aussi, la tuyère « DG1 » fait alors office de tuyère divergente de compression adiabatique « D » Le système de parois deformables peut être du même type que celui décrit au chapitre 2 1 et représente sur la figure
525 2 1 par exemple
La vitesse du gaz a compπmer devant de préférence être sonique dans le second col du dispositif cette possibilité de modifier sa section permet de rendre indépendants l'un de l'autre la température la pression, et le débit du gaz comprime en sortie du convergent de détente adiabatique tout en respectant la contrainte d'écoulement sonique dans ce col , ceci permet de
530 modifier soit le débit du gaz a comprimer soit sa température a l'entrée du second col (par modification de la température dans « C » ou par modification du débit de liquide pulvérise, ce qui entraîne une modification du taux de compression du dispositif et de son rendement), soit les deux simultanément Enfin, lors de la mise en service du dispositi la première tuyère a géométrie variable est
535 maintenue dans une position légèrement divergente, jusqu'à ce que le taux de compression du dispositif soit suffisamment eleve pour que l'onde de pression pouvant se développer dans « D 1 » se soit déplacée dans la seconde tuyère divergente « DG » après cette évacuation de 1 onde de pression, les deux tuyères a geometπe variable peuvent prendre progressivement leur position de service, l'onde de pression s'eloignant vers la sortie du dispositif a mesure que les
540 deux tuveres a géométrie variable se rapprochent de leur position de service
Les autres éléments du dispositif sont identiques a ceux décrits dans les variantes 3 ou 4 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 » des variantes 3 ou 4 sont remplacées par un conduit « N3 » légèrement divergent de préférence
545 avec un diamètre d'entrée légèrement supérieur a celui de « D l » de préférence a l'intérieur duquel peut coulisser axialement un noyau profile « K3 » fixe sur un arbre traversant par exemple 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 a partir de I extérieur du dispositif par un filetage dispose sur un palier, par un veπn, ou par tout autre
55o système externe le permettant
La buse de pulvérisation est logée dans la zone « NT » ou « N3 »
Dans un concept plus simplifie, le conduit divergent « D » et éventuellement la chambre de tranquillisation « T » peuvent être simplement constitues par un prolongement du conduit faiblement divergent « N3 »
555 Les autres éléments du dispositif sont identiques a ceux décrits dans les variantes 3 ou 4 Le noyau « K3 » est une pièce dont le profil aérodynamique permet de minimiser les pertes de charge du gaz a comprimer, il est constitue 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 560 (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 »
Selon l'application recherchée pour le dispositif et selon les températures du gaz a comprimer en sortie du divergent de détente supersonique « D l », le noyau « K3 » peut être réalise en acier au carbone (températures inférieures a 300°), en acier inoxydable, en acier refroidi par circulation 565 interne de fluide de refroidissement, en céramique, ou en tout autre matériau présentant une bonne tenue a l'abrasion et aux températures mises en œuvre
L'exemple de réalisation représente sur la figure 6 1 montre un arbre traversant le noyau « K3 » de part en part et reposant sur des paliers places dans la chambre d'admission et dans la chambre de tranquillisation, ce dernier incluant un moteur de réglage de position ,1a buse de pulvérisation 570 est placée en extrémité d'un tube coulissant sur l'arbre
Lors de l'écoulement du gaz a comprimer dans le conduit « N3 », l'espace libre compris entre « 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 575 entre « K' "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 a d la section de passage minimale) entre de ces deux tuyères est en gênerai situe entre la sortie du conduit « N3 » et le diamètre maximum de « K"3 », et sa section Ss peut être modifiée a tout moment a partir de l'extérieur par ajustement de la position axiale du noyau « K3 » , cet 580 ajustement de la section au col permet
Lors de la mise en service de retirer entièrement le noyau « K3 » du conduit « N3 » de façon a 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 est suffisamment élevée, se situe en aval de la sortie du conduit « N3 » cette 585 surpression ainsi que le diamètre maximum de « K3 » sont sélectionnes de façon a ce que, lorsque le noyau « K3 » est introduit progressivement dans le conduit « N3 », la zone ou se trouve l'onde de pression reste toujours divergente et que l'onde de pression y stationne jusqu a ce que « K3 » trouve sa place définitive dans « N3 »
En cours de fonctionnement normal de rendre indépendants l'un de l'autre la température 590 la pression, et le débit du gaz a 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 débit, du taux de compression, ou du rendement) A titre d'exemple de réalisation, un dispositif selon la figure 6 1 présente les mêmes performances que l'exemple de réalisation concernant la variante 4, les modifications 595 suivantes permettant d'ajuster le débit et le taux de compression du gaz a comprimer
-Remplacement des tuyères convergentes « C3 » et « C4 » par un conduit « N3 », présentant un diamètre d'entrée voisin de 0,388 m, un diamètre de sortie voisin de 0,390 m, et une longueur de 1,0 m , le conduit « N3 » est réalise en acier au carbone a double enveloppe, -Remplacement du divergent « D » de diamètre d'entrée 0,209 m par un divergent « D » de 600 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 maximum 0,388 m, de diamètre minimum 0,04 m a entrée de « K'3» et a la sortie de « K' "3 » de longueur totale 1,2 m, supporte par un arbre de diamètre 40 mm reposant sur un palier installe en «T » (avec filetage de réglage de sa position ) et sur un second palier installe en 605 extrémité de « C » ,
-La buse de pulvérisation est identique a celle de l'exemple de réalisation de la variante 4, mais le tube coulissant permettant de l'alimenter en eau est loge dans l'arbre support du noyau « K3 » VARIANTE 7 610 Une variante 7, concernant un écoulement supersonique, resuite de l'application simultanée des variantes 5 et 6 sur un même dispositif, et permet de régler depuis l'exteπeur indépendamment l'une de l'autre et a tout moment les sections des deux cols du dispositif et donc de modifier le débit d'air (ou de gaz) a 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 615 éventuelles ondes de pression ou ondes de choc pouvant dans certains cas se développer dans les divergents supersoniques des variantes 3, 4, ou 5 , dans cette variante, les zones « C3 » « C4 » et « D » de la variante 5, sont remplacées comme pour la variante 6 par une tuyère a geometπe 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 a géométrie variable le o2o diamètre du col entre les deux tuyères peut s'adapter en permanence au diamètre du premier col du dispositif (c'est a dire au débit et aux conditions physiques du gaz a comprimer a l'admission) et aux conditions physiques en sortie du dispositif (c'est a dire au débit de liquide pulvérise, donc au taux de compression et au rendement du dispositif)
Les autres éléments du dispositif sont identiques a ceux décrits dans les variantes 5 625 cette variante présente donc les avantages combines des variantes 5 et 6
Dans l'exemple de la figure 7, les systèmes de géométrie variable sont obtenus par l'utilisation de tuveres a parois deformables du même type que celui décrit au chapitre 2 1 et représente sur la figure 2 1 par exemple
Dans l'exemple préférentielle de la figure 7.1, la tuyère convergente de compression/ 630 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 un diamètre d'entrée légèrement supérieur a celui de « D l » de préférence, a l'intérieur duquel peut coulisser axialement un noyau « K3 » dont l'axe est fixe sur un arbre traversant par exemple l'une (ou les deux) extrémités du dispositif , la position axiale du noyau « K3 » peut être réglée
635 manuellement ou automatiquement a partir de l'extérieur du dispositif par un filetage dispose sur un palier, par un veπn externe, ou par tout autre système externe le permettant Dans un concept plus simplifie, les zones « N2 », « NT », « N3 », « D » et « T » peuvent être regroupes en un seul conduit de section légèrement divergente Le noyau « K3 » est une pièce de révolution pleine dont le profil aérodynamique permet de
640 minimiser les pertes de charge du gaz a comprimer, il est constitue 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 »
645 La partie « K'3 » du noyau « K3 » est logée dans le conduit « N3 »
La buse de pulvérisation est logée dans l'une des zone « N2 », « NT », ou « N3 » entre
« K'"2 » ( extrémité aval de « K2 ») et « K'3 » (extrémité amont de « K3 » )
Les autres éléments du dispositif sont identiques a ceux de la variante 5
Selon l'application recherchée pour le dispositif et selon les températures du gaz a comprimer en
650 sortie du divergent de détente supersonique « Dl », le noyau « K3 » peut être réalise en acier au carbone (températures inférieures a 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 a l'abrasion et aux températures mises en œuvre L'exemple de réalisation représente sur la figure 7 1 montre un arbre traversant de part en part le
655 novau « K2 » et le noyau « K3 », et reposant sur des paliers places dans la chambre de combustion et dans la chambre de tranquillisation , chaque palier inclut un moteur permettant de régler la position axiale de chacun des noyaux, et la buse de pulvérisation 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» « C 1 », « NT » et o6o « N2 » comporte un premier col de section S's réglable a partir de l'extérieur par ajustement de la position axiale du noyau « K2»
De même, comme dans l'exemple de la figure 6 1 l'espace libre compris entre « K3 » « N3 » et « D » comporte un second col de section Ss réglable a partir de l'extérieur par ajustement de la position axiale du noyau « K3 »
665 Ces possibilités d'ajustement de la section de chaque col confèrent a 1 exemple de la figure 7 1 les avantages combines des exemples des figures 5 1 et 6 1 decπts ci-dessus A titre d'exemple de réalisation, un dispositif selon la figure 7 1 permettant de comprimer près de 20 000 Nm3 d'air de 1 bar A a 2,5 bir A- et permettant d'ajuster le débit et le taux de compression du gaz a comprimer, peut être obtenu en apportant les modifications suivantes a l'exemple de réalisation de la variante 5
-Remplacement de « NT' » et « N2 » par une tuyère divergente de même diamètre d'entrée mais de longueur 1 5 m et de diamètre de sortie voisin de 1,034 m, permettant de détendre l'air a 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 réalise en acier au carbone a double enveloppe, -Remplacement du divergent « D » de diamètre d'entrée 0,209 m par un divergent « D » de même conception mais de diamètre d'entrée égal a 1,036 m, de diamètre de sortie égal a 1 176 m, et de longueur 2,0 m , -Remplacement de la chambre « T » par une chambre de même conception, mais de diamètre 1, 176 m et de longueur 1,41 m, - 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 a entrée de « K'3» et a la sortie de « K' "3 » de longueur totale 3, 1 m, supporte par un arbre de diamètre 60 mm reposant sur un palier installe en «T » (avec filetage de réglage de sa position ), sur un second palier installe en « C » et sur un troisième palier intermédiaire , -La buse de pulvérisation est de conception identique a celle de l'exemple de réalisation de la variante 4, mais le débit d'eau pulvérise est réduit a 1,0 kg par seconde et la buse est alimentée par un tube coulissant loge dans l'arbre support du noyau « K3 » VARIANTE 8
Une variante 8, concernant les buses de pulvérisation de l'option de base 1 ou des variantes 2 a 7 décrites ci-dessus, est représentée sur la figure 8 , elle consiste a utiliser comme fluide d'assistance a la pulvérisation une partie de l'air (ou du gaz) comprime génère par le dispositif ou de la vapeur générée par récupération de chaleur sur le gaz comprime en aval de la chambre de tranquillisation Cette variante permet de réduire la dimension des gouttelettes de liquide pulvérise et d'accroître leur vitesse initiale sans apport supplémentaire d'énergie mécanique externe, et donc d'améliorer le rendement énergétique du dispositif
L exemple de la figure 8 concerne le même type d installation que celui de la figure 7 1 , mais il est équipe d'une assistance a la pulvérisation a partir d'air comprime prélevé en sortie du dispositif
\ titre d'exemple de réalisation, un dispositif selon la figure 8 permettant de comprimer près de 20 000 Nm3 d'air de 1 bar A a 2,5 bar A, et permettant d'ajuster le débit et le taux de compression du gaz a comprimer, peut être obtenu en apportant les modifications suivantes a l'exemple de réalisation de la variante 7 -Le diamètre de sortie de « C l » devient 0 322 m -Remplacement de « NT' » et « N2» par une tuyère divergente de même conception mais de diamètre d'entrée 0,322 m, de diamètre de sortie 1,042 m, et de longueur 1,439 m permettant de détendre l'air a 0,004 bar A -Remplacement du conduit « N3 » par un nouveau conduit de même conception mais de
710 diamètre d'entrée voisin de 1,042 m, de diamètre de sortie voisin de 1,044 m, et de longueur de 2,086 m -La pulvérisation est assistée par l'utilisation de 0,26 kg/seconde de mélange « air comprime- vapeur » prélevé en sortie du dispositif -Le débit d'eau pulvérise est réduit a 0,61 kg/seconde
715 -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, supporte par un arbre de diamètre 140 mm a l'intérieur duquel circulent l'eau de pulvérisation et l'air d'assistance a la pulvérisation VARIANTE 9
720 Une variante 9, concernant les buses de pulvérisation de l'option de base 1 ou des variantes 2 a 8 décrites ci-dessus, est représentée sur la figure 9 , elle consiste a rechauffer le liquide utilise dans les buses de pulvérisation avant son introduction dans les buses, par utilisation de la chaleur récupérée sur le gaz comprime en aval de la chambre de tranquillisation « T » (la récupération pouvant aller éventuellement jusqu'à la condensation de la vapeur de liquide pulvérise), lors de
725 la détente du liquide a 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 d'améliorer le rendement énergétique du dispositif
Si nécessaire, a défaut ou en complément de cette chaleur récupérée en aval de la chambre de tranquillisation, toute autre source de chaleur interne (chaleur récupérée dans les doubles "o enveloppes, ) ou 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 lequel le liquide a pulvériser est au préalable rechauffe dans un echangeur thermique installe sur la ligne d'évacuation du gaz comprime A titre d'exemple de réalisation, un dispositif selon la figure 9 présentant les mêmes
735 dimensions et les mêmes performances que l'exemple de réalisation de la variante 8 avec en sus une température de sortie de l'air comprime augmentée de 20 °C, peut être obtenu en rajoutant sur la ligne d'évacuation un echangeur thermique « E' 1 » permettant de préchauffer a 40 °C l'eau de pulvérisation VARIANTE 10
740 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 a 9 afin d'en faciliter la réalisation, d'atteindre des taux de compression ne pouvant pas être atteints par un dispositif unique, d'améliorer le rendement global de 1 installation, ou encore de faciliter la mise en service de l'installation , les dispositifs peuvent être distincts les uns des autres comme dans l'exemple de la figure 10 décrit ci-apres ou
745 imbriques l'un dans l'autre comme dans 1 exemple de la figure 10 1 qui concerne deux dispositifs installes en parallèle dans une même enveloppe, ou comme dans les exemples des figures 10 2, 10 3 et 10 4 ou deux dispositifs selon les revendications 2 et 9 sont installes en série et imbriques l'un dans l'autre avec ligne d'aspiration, chambre d'admission « C », convergents « C l » et « C2 » et noyau d'entrée commun faisant office de noyau « K » pour le 50 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 supersonique a taux de compression eleve, a l'aide d'un compresseur de démarrage peu performant II est constitue de deux dispositifs distincts installes en série un premier dispositif sonique selon la figure 2 3 avec noyau amont permettant un réglage de débit d'air et dont la
755 ligne d'aspiration inclut un filtre, un silencieux, un compresseur, et un brûleur au fioul suivi par un dispositif aval supersonique selon la figure 9 avec novaux amont et aval dont la ligne d aspiration inclut un echangeur de rechauffage d'air a l'aide d'un fluide thermique , la ligne d'évacuation du dispositif aval inclut un echangeur de récupération permettant de rechauffer le fluide thermique suivi d'un second echangeur de récupération permettant de rechauffer 1 eau de nβo pulvérisation
Le premier dispositif amont n'est utilise que lors de la mise en service de l'installation, pour assurer une surpression suffisante pour permettre le démarrage du second dispositif, après quoi le premier est arrête Le second dispositif aval (selon la figure 9), utilise en marche normale et devant donc être
765 performant, inclut en sus un récupérateur de chaleur permettant de rechauffer l'air a l'admission, un second récupérateur permettant de rechauffer l'eau de pulvérisation, et une assistance a la pulvérisation par utilisation d'air comprime 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 a celui représente sur la figure 8 , les deux
77o dispositifs installes en parallèle sont imbriques l'un dans l'autre, les noyaux de chacun d'entre eux étant installes dans une enveloppe commune , cette disposition permet de réduire les dimensions des noyaux, qui deviendraient trop importantes sur un dispositif unique de très grande capacité L'exemple de la figure 10.2 est une version simplifiée de l'exemple de la figure 10 dans lequel
7"5 les deux dispositifs sont imbriques , il est constitue d'un dispositif supersonique selon la figure 9 dans lequel les conduits « N2 », « NT » « N3 » et « D » sont regroupes en un seul conduit faiblement divergent, et dans lequel la zone « C l » peut jouer le rôle des zones « C l » et « C2 » du dispositif sonique représente sur la figure 2 3 , le novau « K2 » du dispositif supersonique comporte des buses de pulvérisation reparties tout au long de son axe, et peut jouer le rôle du 80 noyau « K l » du dispositif sonique représente sur la figure 2 3
Lors de la mise en service de l'installation, le novau « K3 » est entièrement retire dans la chambre de tranquillisation « T » le compresseur le brûleur, et les buses de pulvérisation du novau « 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
785 compresseur est arrête la partie supersonique aval du dispositif est elle aussi mise en et lorsque la pression dans la chambre de tranquillisation est suffisamment élevée, les buses de pulvérisation du noyau « Kl » (c'est a dire celles du dispositif sonique) sont arrêtées progressivement l'ensemble de l'installation fonctionne alors comme un dispositif supersonique seul, et les réglages de débit, taux de compression, et rendement de l'installation peuvent être
790 effectuer par ajustement du brûleur, du débit de liquide pulvérise, et des positions de « K2 » et « K3 »
L'exemple de la figure 10.3 est lui aussi une version simplifiée d'un dispositif sonique ιmbπ.;ue dans un dispositif supersonique pour en faciliter la mise en service il est constitue d'un dispositif supersonique selon la figure 7 avec tuyères a geometπe variable par parois
795 deformables dans lequel le convergent « CG » du dispositif supersonique peut jouer le rôle des convergents « C l » et « C2 » du dispositif sonique représente sur la figure 2 3 le convergent « CG » du dispositif supersonique comporte en sus des buses de pulvérisation « R » reparties tout au long de son axe, qui jouent le même rôle que les buses de pulvérisation reparties dans la zone « C2 » du dispositif sonique
800 Lors de la mise en service de l'installation, le conduit « CGI » est mis en position « 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 installation sonique , lorsque la pression en aval de « C2 » est suffisamment élevée, le compresseur est arrête, la partie supersonique aval du dispositif est elle aussi mise en service et
805 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 taux de compression, et rendement de l'installation peuvent être effectues par ajustement du brûleur, du débit de liquide pulvérise, et des sections de chacun des deux cols du dispositif
810 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 a dire qu'il permet la mise en service d'un dispositif de compression d'air supersonique a taux de compression eleve, a l'aide d'un compresseur de démarrage peu performant , il est constitue d'un dispositif supersonique selon la figure 8 et d un dispositif sonique selon la figure 2 4 installes en série et imbriques l'un dans l'autre
815 Dans cette installation, les conduits « NT' », « N2 » « NT » et « N3 » sont regroupes en un seul conduit faiblement convergent, et le novau « K3 » et la buse de pulvérisation « R » du dispositif supersonique sont aussi utilises comme noyau « K l » et comme buse « R » du dispositif sonique lorsque ce dernier est utilise Lors de la mise en service de l'installation, le dispositif sonique est seul utilise ( le novau « K2 »
820 est alors entièrement retire dans « C » ) jusqu'à l'obtention d un gain de pression suffisant pour permettre la mise en service du dispositif supersonique (c'est a dire l'introduction de « K2 » dans « C l » pour créer un divergent )
\ titre d'exemple de réalisation, un dispositif selon la figure 10 2 permettant de compπmer près de 20 000 Nm3 d air de 1 bar A a 2 5 bar A-, et permettant d'ajuster le débit et le taux de
825 compression du gaz a comprimer, peut être obtenu avec un compresseur de démarrage développant une surpression de K O mbar seulement, en apportant les modifications suivantes a l'exemple de réalisation de la van ιnt3 ij
-Le convergent « C l » est remplace oar un convergent de même conception (remplissant le rôle de « C l » vis-a-vis du fonctionnement supersonique et de « C l »+« C2 » vis-a-vis du 830 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-a-vis du fonctionnement supersonique et de « K » vis-a-vis du fonctionnement sonique) de mêmes diamètres mais de longueur totale 1,3 m , sa partie aval « K' " », qui coulisse dans « C l », comporte sur son pourtour les buses de pulvérisation nécessaires au fonctionnement 835 sonique
APPLICATIONS INDUSTRIELLE de L'INVENTION
Le dispositif selon l'invention trouve ses applications dans les procèdes industriels mettant en œuvre des gaz comprimes, de l'air comprime, ou de la vapeur d'eau, avec un intérêt tout particulier en ce qui concerne les centrales thermo-electnques (voir exemples 5, 6, 7, 8, et 9 ci- 840 dessous) , il permet par exemple de réaliser les installations suivantes avec des coûts d'équipement, des coûts de maintenance, et des rendements énergétiques compétitifs
1 -Installations de production d'air ou de gaz comprimes destinées a satisfaire des besoins industriels et permettant de générer des débits très importants (de 1000 Nm3/h a plusieurs millions de Nm3/h), a des pressions comprises entre 1,5 barA et 20 bar A, voir au-delà 845 2-Systemes de vide mettant en œuvre des débits d'air ou de gaz importants pour satisfaire des besoins de procèdes industriels, des besoins de bancs d'essais thermodynamiques (Aeronautiques, Climatiques, ), etc
3-Utιlιsatιon 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 50 ventilateurs de tirage et permet d'économiser plusieurs centaines ou milliers de kW d'énergie électrique
4- recompression mécanique de vapeur a basse pression (vapeur d'eau par exemple, le liquide injecte étant alors de l'eau) pour obtenir de la vapeur a plus haute pression , dans cet exemple la ligne d'aspiration comporte si nécessaire un echangeur thermique permettant de surchauffer 55 la vapeur basse pression
5-Centrales thermo-electnques a vapeur dans lesquelles les chaudières a vapeur haute pression seraient remplacées par le même dispositif que celui décrit dans l'exemple précèdent , dans de telles centrales, la vapeur recomprtmee est surchauffée puis détendue a travers des turbines avant d'être retournée a l'entrée du dispositif les condenseurs de vapeur n'étant plus 860 nécessaires que pour condenser a 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 a 700 °C, est bien supérieure a celle des centrales classiques (250 °C a 3 10 °C, correspondant a l'ebullition de la vapeur a 40 a 100 bar), et permet donc des rendements énergétiques nettement plus élevés, pouvant dépasser 45% 865 6-Centrales thermo-electnques a turbines a gaz, dans lesquelles un dispositif selon la figure 9 par exemple mais sans brûleur, installe sur le circuit des fumées en aval de la turbine, utilise la chaleur latente des fumées pour recompπmer une partie des fumées avant de les reinjecter en aval du compresseur de la turbine a 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
870 27% a près de 45% le rendement d'une turbine a gaz, moyennant bien entendu les adaptations appropriées 7-Centrales thermo-electnques a turbines a gaz, dans lesquelles un dispositif selon la figure 9 par exemple mais sans brûleur, installe sur le circuit des fumées en aval de la turbine, utilise la chaleur latente des fumées pour créer un vide permettant d'améliorer la puissance de la turbine
875 a gaz , un tel cycle permet lui aussi de porter de 27% a près de 45% le rendement d'une turbine a gaz, moyennant bien entendu les adaptations correspondantes de la turbine 8-Centrales thermo-electnques utilisant le cycle de compression du dispositi et constituées par exemple du dispositif selon la figure 10 1 avec en sus une turbine a air « TB » installée en aval du brûleur de la ligne d'aspiration et des turbines air-vapeur installées sur la ligne
880 d'évacuation , un tel cycle permet d'atteindre des rendements supérieurs a 56%, en tenant compte des diverses pertes du système déperditions thermiques, pertes de charge du dispositif pertes par frottement, rendement isentropique de la tubine, etc 9- Centrales thermo-electnques utilisant le cycle de compression du dispositi et constituées par exemple du dispositif selon la figure 10 1 sans brûleur « B » sur la ligne d'aspiration, mais avec
885 un brûleur et une turbine air-vapeur installes sur la ligne d'évacuation en amont de l'echangeur « E' 1 » un tel cycle permet d'atteindre des rendements supérieurs a 60%, en tenant compte des diverses pertes du système déperditions thermiques, pertes de charge du dispositi pertes par frottement, rendement isentropique de la tubine, etc
890

Claims

REVENDICATIONS
895
1 ) Dispositif pour comprimer de l'air ou un gaz quelconque caracteπse en ce qu'il est comporte les éléments suivants destines a prétraiter le gaz a comprimer et a lui fournir de l'énergie thermique si sa température n'est pas assez élevée, a détendre ce dernier a une vitesse subsonique ou sonique a travers une tuyère de détente, a effectuer un prélèvement de chaleur
900 a haute vitesse et basse température par pulvérisation (et evaporation) contrôlée de liquide repartie dans une tuyère de détente-refroidissement (la tuyère permettant de maintenir une vitesse élevée), et enfin a recompπmer ce gaz dans une tuyère de compression adiabatique afin de ramener sa vitesse a une valeur d'écoulement normale une Ligne d'Aspiration incluant si nécessaire des équipements annexes tels que filtre d'aspiration « F », silencieux
905 « S », compresseur primaire « CP », echangeurs thermiques « El », « E2 », , »En », brûleur
« B », et turbine de détente « TB », une Chambre d'Admission « C » optionnelle, un Convergent de Détente « Cl » permettant d'accroître sa vitesse jusqu'à la vitesse sonique éventuellement, une Zone de Transition « N » optionnelle, une Tuyère Convergente de Détente Refroidissement « C2 », un Système de Refroidissement « R » constitue d'un 10 ensemble de buses de pulvérisation d'eau (ou autre liquide) de débit et/ou de position réglables a partir de l' exteneur du dispositif et reparties le long des zones « N » et « C2 », un Divergent de Compression Adiabatique « D » destine a comprimer le gaz en réduisant sa vitesse jusqu'à une vitesse d'écoulement normale, une Chambre de Tranquillisation « T » (Optionnelle) et une Ligne d'Evacuation incluant si nécessaire des équipements annexes 15 tels que systèmes de recyclage des gaz chauds, Echangeurs de récupération « E' 1 »,
« E'2 », , « E'n »,et Silencieux « S' », ces équipements pouvant n'être alimentes que par une partie du gaz comprime, et pouvant être installes en aval d'un brûleur et d'une turbine si le dispositif est destine a une production d'énergie mécanique ou electπque
2) Dispositif selon la revendication 1 caracteπse en ce que la zone « C2 » (Tuyère de détente/ 20 refroidissement) et la zone « D » (divergent de compression adiabatique) sont remplacées par une tuyère convergente et une tuyère divergente les deux a geometne variable, ce qui permet d'ajuster la section de sortie de « C2 » et la section d'entrée de « D », et donc la section du col entre « C2 » et « D » , le système de geometne variable, commande depuis l'extérieur du dispositif, est obtenu par tout mécanisme permettant de modifier la section de passage du col 25 du dispositif tel que l'utilisation de parois deformables sur les tuyères « C2 » et « D », ou
1 adjonction d'un noyau profile « K » ou « K l » pouvant coulisser axialement dans les zones « N » « C2 » et « D », ce noyau étant lui-même fixe sur un arbre traversant une (ou les deux) extrémités du dispositif et permettant de régler la position du novau depuis l'exteπeur
3 ) Dispositif selon la revendication 1 caracteπse par l'obtention d'un écoulement supersonique 930 dans la zone de refroidissement en utilisant le convergent de détente « C l » pour détendre systématiquement le fluide a comprimer jusqu'à la vitesse sonique, et en remplaçant les parties « N » (zone de transition) et « C2 » (tuyère convergente de détente/ refroidissement) par une tuvere divergente de détente supersonique « D l », suivie d'une zone de transition « NT », d une tuyère convergente de compression/ refroidissement « C3 », et d'une tuyère 935 convergente de compression adiabatique « C4 » (optionnelle), le système de buses de pulvérisation « R », identique a celui de la version de base 1, est installe dans la zone « C3 » et éventuellement dans les zones « D l » et/ou « NT »
4) Dispositif selon la revendication 3 caractense par le remplacement du système de buses de pulvérisation reparties le long de l'axe du dispositif par une buse axiale unique ou par des
940 buses radiales, placee(s) a l'entrée de la zone « C3 » ou dans la zone de transition « NT »
(cette dernière disposition permettant d'anticiper le décalage de temps entre la pulvérisation et l'evaporation du liquide injecte), le débit et la position axiale de ces buses pouvant être règles manuellement ou automatiquement a partir de l'extérieur du dispositif
5) Dispositif selon les revendications 3 ou 4 caractérise en ce que le convergent « C l » et le 945 divergent « D 1 »des variantes 3 et 4 sont remplaces par une tuyère convergente suivie d'une tuyère divergente les deux a geometπe variable, ce qui permet d'ajuster la section du col compris entre ces deux tuyères , le système de geometne variable, commande depuis l'exteπeur du dispositi est obtenu par tout mécanisme permettant de modifier la section de passage du col compris entre « C l » et « D l » tel que le remplacement de « C l » et « D 1 »
950 par une tuyère convergente « CG » suivie par une zone de transition optionnelle « NT' » et par une tuyère divergente « DG » les trois a parois deformables, ou le remplacement de « D l » par une zone de transition optionnelle « NT'» suivie d'un conduit «N2» légèrement divergent de préférence avec adjonction d'un noyau profile « K2» coulissant axialement dans « C 1 », dans « NT'», et dans le conduit « N2 », le noyau étant par exemple fixe sur un arbre
955 traversant une (ou les deux) extrémités du dispositif et permettant de régler sa position depuis l'extérieur Selon les conditions d'utilisation du dispositif, le système de geometne variable peut permettre a la tuyère « DG » d'être légèrement convergente lors de la mise en service le dispositif , pour la même raison, le conduit « N2 » peut être légèrement convergent
6) Dispositif selon les revendications 3 ou 4 caractérise en ce que les zones « C3 » « C4 »
960 et « D » des variantes 3 et 4 sont remplacées par un système a geometne variable commande depuis l'extérieur du dispositif et permettant de modifier la section du col compris entre « C3 » et « D » , le système de geometπe variable est obtenu par tout mécanisme permettant de modifier la section de ce col tel que le remplacement de « C3 », « C4 », et « D » par une tuyère « CGI » a parois deformables pouvant être réglée pour être de préférence légèrement
965 divergente lors de la mise en service du dispositif puis convergente par la suite suivie d'une tuyère « DG1 » divergente a parois deformables elle aussi, ou encore par remplacement des tuyères « C3 » et « C4 » par un conduit « N3 » légèrement di ergent de préférence avec un diamètre d'entrée légèrement supérieur a celui de « D l » de préférence, a l'intérieur duquel peut coulisser axialement un noyau profile « K3 » fixe sur un arbre traversant une (ou les
970 deux) extrémités du dispositif et permettant de régler la position de « K3 » depuis l'extérieur ; dans un concept plus simplifié, le conduit divergent « D » et éventuellement la chambre de tranquillisation « T » peuvent ê.re simplement constitués par un prolongement du conduit « N3 ».
7) Dispositif selon les revendications 5 et 6, caractérisé par l'application simultanée des
975 revendications 5 et 6 sur un même dispositif et permettant de régler depuis l'extérieur, à tout moment et indépendamment l'une de l'autre, les sections des deux cols du dispositif .
8) Dispositif selon les revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les buses de pulvérisation utilisent comme fluide d'assistance à la pulvérisation une partie de l'air (ou du gaz) comprimé généré par le dispositif, ou de la vapeur générée par récupération de chaleur sur le
980 gaz comprimé en aval de la chambre de tranquillisation .
9) Dispositif selon les revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le liquide utilisé dans les buses de pulvérisation est réchauffé avant son introduction dans les buses, par utilisation de la chaleur récupérée sur le gaz comprimé en aval de la chambre de tranquillisation « T » et si nécessaire, à défaut ou en complément de cette chaleur récupérée, par toute autre source de
985 chaleur interne (chaleur récupérée dans les doubles enveloppes,..) ou externe au dispositif
10) Dispositif selon les revendications 1 à 9 caractérisé par l'installation en série ou en parallèle de plusieurs des dispositifs décrits ci-dessus, les dispositifs pouvant être distincts les uns des autres ou imbriqués l'un dans l'autre tels que deux dispositifs selon la revendication 8 où les noyaux sont installés en parallèle dans une même enveloppe, ou encore tels que deux
990 dispositifs selon les revendications 2 et 9 installés en série et imbriqués l'un dans l'autre avec ligne d'aspiration, chambre d'admission « C », convergents « C l » 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.
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