EP1269025B1 - Compresseur thermocinetique - Google Patents

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EP1269025B1
EP1269025B1 EP01907689A EP01907689A EP1269025B1 EP 1269025 B1 EP1269025 B1 EP 1269025B1 EP 01907689 A EP01907689 A EP 01907689A EP 01907689 A EP01907689 A EP 01907689A EP 1269025 B1 EP1269025 B1 EP 1269025B1
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EP
European Patent Office
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nozzle
gas
convergent
divergent
compressed
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP01907689A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP1269025A1 (fr
Inventor
Joseph Haiun
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Thermokin
Original Assignee
Haiun Joseph
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Haiun Joseph filed Critical Haiun Joseph
Publication of EP1269025A1 publication Critical patent/EP1269025A1/fr
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Publication of EP1269025B1 publication Critical patent/EP1269025B1/fr
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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 other low cost gas whose primary energy used in the compression cycle is not mechanical or electrical energy as in most compressors, but directly from thermal energy; this compressor has no moving parts subjected to wear, and the energy losses due to friction as well as the excess heat of the cold source of the cycle can be recovered to be reused in the compression cycle or to generate steam under pressure which, when mixed with the 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 is particularly predestined for the realization of high-efficiency thermo-energy plants, the realization of energy saving systems such as mechanical vapor recompression, or the recovery and reconversion of residual thermal energy.
  • the compressors consist of devices in which the compression energy of the gas is supplied in the form of mechanical energy: volumetric compressors, centrifugal or axial compressors, ..., or potential energy or kinetics of another driving gas, which is still a form of mechanical energy: ejectors.
  • the device according to the invention which uses neither mechanical energy nor drive kinetic energy but only thermal energy to compress the gas, makes it possible to remedy most of these disadvantages by using a different cycle, of pre-treating the gas to be compressed and directly supplying it with thermal energy, to relax the latter at a sonic or supersonic speed through expansion nozzles, to carry out a high-speed and therefore low-speed sampling of heat sputtering temperature and controlled evaporation of liquid distributed in an expansion-cooling nozzle, the nozzle to maintain a high speed, and finally to recompress this gas in an adiabatic compression nozzle to reduce its speed to a normal flow value ;
  • the expansion, expansion-cooling and adiabatic compression nozzles may be equipped with a variable geometry system, allowing the sections of their inlet and / or outlet necks to be adjusted in order to regulate, among other things, the flow and the compression ratio of the device
  • the low temperature heat removal causes a considerable entropy drop in the gas to be compressed, which results in a
  • thermoelectric power plants where it is very advantageously substituted for steam generators in steam plants and especially in combined cycle plants.
  • the present invention therefore relates to a device according to the provisions of independent claims 1, 3 and 4.
  • the invention also aims at the characteristic points and the embodiments described and claimed in the dependent claims 2 and 5 to 10.
  • shock or compression waves that may develop in the supersonic portion of the flow may be suppressed or displaced to the outlet of the device, as described in the detailed alternatives thereafter.
  • the device uses a subsonic or sonic flow; it comprises a suction line equipped to pre-treat and heat the gas to be compressed, an optional inlet chamber (C) intended to calm the gas flow before it is admitted into a detent convergent (C1) making it possible to increase its velocity up to the sonic velocity possibly, a transition zone (N), a converging nozzle of Relaxation / Cooling (C2), a cooling system (R) consisting of a set of water spray nozzles (or other liquid) of flow and / or position adjustable from the outside of the device distributed along the zones (N) and (C2) and intended to extract heat from the gas to be compressed by evaporation of the injected liquid, and finally a adiabatic compression divergent (D) for compressing the gas by reducing its speed to a normal flow rate of the order of 10 to 50 m / s before admission to a plenum (T) and its delivery
  • the transition zone (N) ensures a continuous connection between the ends of (C1) and (C2) with a generator with monotonous slope, and without angle.
  • the suction is equipped with elements for heating the gas to be compressed, such as: Heat exchangers (E1), (E2), ..., (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, Burner (B) supplied with fuel, expansion turbine (TB); these elements are intended to heat the gas to be compressed if its temperature is not high enough at the entrance of the device;
  • the suction can be equipped with additional elements such as: Suction filter (F), Silencer (S), Primary compressor (CP) for commissioning the device .
  • the discharge pipe may be equipped with elements such as: hot gas recycling systems, heat exchangers (E'1), (E'2), ..., (E'n) for recovering the residual heat contained in the compressed gas of the device, Silencer (S '); this equipment can be powered only by a portion of the compressed gas, and can be installed downstream of a burner and a turbine if the device is intended for mechanical or electrical energy production.
  • elements such as: hot gas recycling systems, heat exchangers (E'1), (E'2), ..., (E'n) for recovering the residual heat contained in the compressed gas of the device, Silencer (S '); this equipment can be powered only by a portion of the compressed gas, and can be installed downstream of a burner and a turbine if the device is intended for mechanical or electrical energy production.
  • Reheating the gas upstream of (C) allows it to be superheated to keep its temperature from the saturation temperature with the sprayed liquid; depending on the compression ratio and the desired yield, the temperature of overheating can range from 100 ° C to more than 1500 ° C.
  • the gas is at each instant expanded and put in speed in the convergent nozzle, and simultaneously cooled by the evaporation of the pulverized liquid, which causes its contraction in regime sonic or subsonic and thus a drop in speed with entropy drop and pressure increase, which attenuates or suppresses the tendency to increase velocity due to the convergent:
  • the distribution of the spraying and evaporation along the neutral zone (N) and nozzle (C2) makes it possible to balance the trends of increase and decrease of the speed, and thus to carry out a heat extraction while maintaining an optimal speed sonic or subsonic along the axis of (C2).
  • the cooling system (R) makes it possible to adjust the cooling distribution along the axis of (C2) by any means allowing the adjustment of the flow rate and the position of each nozzle;
  • an exemplary embodiment, represented on the figure 1.1 shows nozzles arranged in radial fins distributed along the axis of (C2), with the possibility of manually or automatically adjusting from outside the flow of liquid injected into each row of nozzles by means of valves external;
  • a second preferred embodiment, represented on the figure 1.2 shows spray nozzles distributed along the axis of the device in the zones (N) and (C2) and disposed at the end of axially sliding concentric tubes; the tubes are supported by threaded bearings at the end of the inlet chamber, the threads making it possible to adjust manually or automatically from the outside the position of each spray nozzle; external valves control the flow of each nozzle.
  • the device can be designed with a single spray nozzle, but it then has a degraded performance.
  • the retained spray nozzles are preferably high-speed injection nozzles with a minimum droplet size, such as high-pressure nozzles, with assistance with compressed air or steam, and possibly with ultrasounds or microwaves.
  • the parts (C), (C1), (N), (C2), (D), and (T) may be made of steel carbon, stainless steel, or any other material compatible with the gas to be compressed and having good mechanical strength and good abrasion resistance at 300 ° C; for gas inlet temperatures of (C) greater than 300 ° C, these parts may for example be made of carbon steel coated internally heat insulating or refractory, carbon steel or stainless steel with jacketed jacket cooled to 1 water or gas to be compressed, ceramic, or any other material with good mechanical resistance and good resistance to abrasion at high temperatures.
  • the inlet chamber (C) is made of carbon steel coated internally with refractory concrete, while (C1), (N), (C2), (D), and (T) are made of carbon steel double envelope cooled by circulation of the air to be compressed before entering the air intake; the spray nozzles, installed on-and fed by a system of concentric sliding tubes made of carbon steel with an outside diameter of 60 mm passing through the intake chamber, are distributed in (C2) and make it possible to inject around 4.7 kg / second of water at 200 m / second with average droplet sizes close to 10 ⁇ m.
  • a variant 2 concerning a sonic or subsonic flow, represented on the figures 2.1, 2.2 , 2.3, and 2.4 , adjusts the gas flow rate to be compressed, the compression ratio, and the energy efficiency of the device.
  • the expansion / cooling nozzle (C2) and the adiabatic compression divergent (D) of the basic version 1 are replaced by a convergent nozzle and a divergent nozzle, both with a variable geometry, which makes it possible to adjust the exit section of (C2) and the entry section of (D), and thus the section of the pass between (C2) and (D);
  • the variable geometry system, controlled from outside the device is obtained by any mechanism making it possible to modify the passage section of the neck of the device, such as the use of deformable walls on the nozzles (C2) and (D) as presented in the example of the figure 2.1, or the addition of a profiled core (K) or (K1.) axially slidable in the zones (N), (C2), and (D) and fixed on a
  • the example of 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 lamellae arranged regularly on the generatrices of the device, and their ends are welded on the edges of the transition zone (N) and the plenum; clamps circular or any other system such as cylinders, etc .. allow to change the central section of the device, which is then the collar areas (C2) and (D).
  • the other elements of the device are identical to those described in the basic version 1.
  • the exemplary embodiment shown on the figure 2.1 has the same performance as the previous example for the base case 1, with the possibility of changing the flow rate and the compression ratio of the gas to be compressed.
  • the example of figure 2.2 relates to a nozzle of rectangular section; it is equipped with an adjustable system consisting of a core (K) sliding axially in the zones (N), (C2), and (D), and whose axis is fixed on a shaft passing through one or more two ends of the device; the axial position of the core (K) can be adjusted manually or automatically from the outside by a thread arranged on a bearing, by an external jack, or by any other external system.
  • an adjustable system consisting of a core (K) sliding axially in the zones (N), (C2), and (D), and whose axis is fixed on a shaft passing through one or more two ends of the device; the axial position of the core (K) can be adjusted manually or automatically from the outside by a thread arranged on a bearing, by an external jack, or by any other external system.
  • the spray nozzles are distributed in zones (N) and (C2).
  • the core (K) is a rectangular section whose two opposite faces parallel to the axis are juxtaposed to the faces of the nozzle; the other two faces of the core have an aerodynamic profile to minimize the pressure losses of the gas to be compressed; each of them consists of an upstream part (K ') of constant or increasing section in the direction of flow of the gas, a downstream part (K “') of decreasing section in the direction of flow of the gas , and an intermediate part (K ") whose continuous profile, without angle, provides the link between the generatrix of (K ') and that of (K"').
  • the core (K) may be made of carbon steel for temperatures below 300 ° C. , made of stainless steel, steel cooled by internal circulation of cooling fluid, ceramic, or any other material having good resistance to abrasion and the temperatures used.
  • the example of figure 2.3 relates to a circular section device; it is equipped with an adjustable system consisting of a core (K) sliding axially in the zones (N), (C2), and (D), the core being fixed on a shaft passing through one or both ends of the device; the axial position of the core (K) can be adjusted manually or automatically from the outside by a thread arranged on a bearing, by an external jack, or by any other external system.
  • an adjustable system consisting of a core (K) sliding axially in the zones (N), (C2), and (D), the core being fixed on a shaft passing through one or both ends of the device; the axial position of the core (K) can be adjusted manually or automatically from the outside by a thread arranged on a bearing, by an external jack, or by any other external system.
  • the spray nozzles are distributed in zones (N) and (C2).
  • the core (K) is a piece of solid revolution whose aerodynamic profile minimizes pressure losses of the gas to be compressed; it consists of an upstream part (K ') of constant or increasing section in the direction of flow of the gas, a downstream part (K “') of decreasing section in the direction of gas flow, and an intermediate portion (K ") whose continuous generator (without angle) provides the link between the generator of (K ') and that of (K"').
  • the portion (K "') of the core (K) slid in the neck between the expansion / cooling nozzle (C2) and the adiabatic expansion divergence (D).
  • the core (K) may be made of carbon steel for temperatures below 300 °, stainless steel, steel cooled by internal circulation of cooling fluid, ceramic, or any other material having good resistance to abrasion and temperatures used.
  • the exemplary embodiment shown on the figure 2.3 shows a traversing shaft (K) and supported by a bearing placed in the intake chamber, and by a second bearing at the end of the plenum (T), the latter including a position adjustment thread of the core and the nozzles spray.
  • the free space between (K "') and (C2) constitutes a convergent nozzle which performs the same function as the convergent compression nozzle / cooling (C2) described in variant 1, the collar, ie the minimum passage section, of this convergent nozzle is located slightly upstream of the outlet 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).
  • This adjustment of the section Ss at the neck, together with a flow rate adjustment of the sprayed liquid, makes it possible to modify the flow rate of the fluid to be compressed, or else to modify the compression ratio and the energy efficiency of the device by modifying the temperature of the device. heating the gas at the inlet of the intake chamber.
  • figure 2.4 it also concerns a device of circular section; the principle is identical to that of variant 2.3, but here the core is installed downstream of the device.
  • the device is equipped with a core (K1) sliding axially in the areas (N), (C2), (D), and (T), and whose axis is fixed on a shaft passing through one or both ends of the device; the axial position of the core (K1) can be adjusted manually or automatically from the outside by a thread arranged on a bearing, by an external jack, or by any other external system.
  • the spray nozzles are distributed in zones (N) and (C2).
  • the core (K1) is a piece of solid revolution whose aerodynamic profile minimizes pressure losses of the gas to be compressed; it consists of an upstream part (K'1) of increasing cross-section in the gas flow direction, of a downstream part (K “'1) of constant or decreasing section in the gas flow direction, and an intermediate part (K "1) whose continuous generator, without angle, provides the link between the generatrix of (K'1) and that of (K" '1).
  • the portion (K'1) of the core slides in the neck between the expansion / cooling nozzle (C2) and the adiabatic expansion divergence (D).
  • the core (K1) may be made of carbon steel for temperatures of less than 300 °, stainless steel, steel cooled by internal circulation of cooling fluid, ceramic, or any other material having good resistance to abrasion and temperatures used.
  • the exemplary embodiment shown on the figure 2.4 shows a shaft traversing the core (K1) from one side and resting on bearings placed in the inlet chamber and in the plenum chamber, the latter including a position adjustment thread.
  • the free space between (K1) and the duct (C2) constitutes a convergent nozzle which performs the same function as the convergent compression / cooling nozzle (C2). ) described in base version 1; the neck, ie the minimum cross section downstream of this convergent nozzle, is generally located downstream of the outlet neck of (C2), and its section Ss can be modified at any time from the outside by adjusting the axial position of the core (K1).
  • This adjustment of the section Ss at the neck, together with a flow rate adjustment of the sprayed liquid, makes it possible to modify the flow rate of the fluid to be compressed, or else to modify the compression ratio and the energy efficiency of the device by modifying the temperature of the device. heating the gas at the inlet of the intake chamber.
  • the modifications compared to the basic version 1 concern firstly the use of the expansion convergent (C1) in which the fluid to be compressed is systematically expanded to the sonic speed, and secondly the replacement of the transition zone (N) and the nozzle (C2) via a divergent supersonic expansion nozzle (D1), followed by a transition zone (NT), a convergent compression / cooling nozzle (C3), and a convergent adiabatic compression nozzle (C4); the system of spray nozzles (R), identical to that of the basic version 1, is installed in the zone (C3) and optionally, as described later, in the zones (D1) or (NT).
  • the transition zone (NT) ensures a continuous connection between the ends of (D1) and (C3) with a generator with monotonous slope, and without angle.
  • the fluid to be compressed is heated upstream of the zone (C) to a temperature that can greatly exceed 1000 to 1500 ° C., and then expanded throughout the zones (C1) and (D1) which constitute a convergent / divergent nozzle of supersonic expansion with sonic velocity at the neck to a pressure Pa a velocity Va and a temperature Ta, and finally compressed with temperature rise in the convergent compression / cooling nozzle (C3) with, simultaneously in the same nozzle (C3), heat removal by evaporation of sprayed liquid; the convergent adiabatic compression nozzle (C4) makes it possible to reduce the fluid to the sonic velocity before subsonic adiabatic compression in the adiabatic compression divergent (D) and its evacuation.
  • the spray 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 the basic version 1; Evaporative heat removal of the sprayed droplets can be carried out in the zone (D1), the cycle then approaching isobaric cooling, but this case is of little practical interest: we will mention in the following description only the heat taken in the zones (NT) or (C3) with a cycle approximating an isothermal transformation, the spray nozzles being distributed in the zone (C3) and possibly, in advance, in the transition zone (NT ) to account for the lag time between spraying and evaporation.
  • the sizing of the device obviously depends first and foremost on the flow rate and the characteristics of the gas to be compressed, as well as on the desired outlet pressure; these criteria being fixed, the choices of the gas reheating temperature upstream of (C), the rate of expansion through (C1) and (C2), and the droplet dimensions, result from a compromise between standard equipment available on the market: types of spray nozzles, materials, etc ..., and between the dimensions and the price of the device, and its energy efficiency.
  • the inlet chamber (C) is made of carbon steel coated internally with refractory concrete, while (C1), (D1), (C3), (C4), (D), and (T) are made of steel. carbon double jacket cooled by circulating the air to be compressed before entering the air intake; the ultrasonic spray nozzles, installed and fed by a system of concentric carbon steel sliding tubes of 40 mm outside diameter passing through the intake chamber, are distributed in (C3).
  • a variant 4 also concerning a supersonic flow, is represented on the figure 4 ; it follows from variant 3 and makes it possible to simplify the concept by replacing the system of spray nozzles distributed along the axis of the device by a single axial nozzle or by radial nozzles placed at the entrance of the zone (C3) or in the transition zone (NT), the latter provision making it possible to anticipate the time difference between the spraying and the evaporation of the injected liquid; the flow rate and the axial position of these nozzles can be adjusted manually or automatically from the outside of the device.
  • the figure 4 represents an exemplary embodiment with a single nozzle located on the axis of the device, at the end of a shaft passing through the intake chamber, and whose flow and position can be adjusted manually or automatically from the outside;
  • the figure 4.1 represents another embodiment with several axial nozzles of the same type, and the figure 4.2 represents a third embodiment with adjustable flow nozzles arranged on radial fins.
  • the example of figure 4 which is the most practical, will be alone mentioned in the rest of the description.
  • the entire flow rate of the sprayed fluid is injected at the beginning of the heat removal cycle, in the zone (NT) or at the inlet of (C3);
  • the gas to be compressed is rapidly saturated at the inlet of (C3) by the evaporation of a portion of the droplets, the remainder of the droplets remaining in suspension in the gas stream; as its advance in the compression / cooling nozzle (C3), the gas is compressed with its temperature rise and removal from the previous saturation state, which allows the additional vaporization of droplets;
  • this continuous equilibrium makes it possible to extract heat from the gas to be compressed all along the zone (C3) or until the total evaporation of the injected droplets, and this by keeping the gas to be compressed in a state very close to its saturation along the (C3) axis; at each point of this axis, the difference in temperature DT between the actual temperature of the gas and its saturation temperature will balance to its minimum, depending on the droplet size and heat exchange coefficients and gas diffusion; variant 4 thus makes it possible to optimize the thermodynamic cycle of the
  • the device represented on the figure 4 has the same elements and has the same performance as the embodiment of variant 3, except for the replacement of the spray nozzle system by a single axial nozzle.
  • a variant 5 relating to a supersonic flow, results 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 ratio, and the efficiency energy of the device; in this variant, the convergent (C1) and the divergent (D1) variants 3 and 4 are replaced by a convergent nozzle followed by a divergent nozzle both with variable geometries, which allows to adjust the cross section between these two nozzles; the variable geometry system, controlled from outside the device, is obtained by any mechanism for modifying the passage section of the neck between (C1) and (D1) such as those described in the examples below.
  • the system with variable geometry is obtained by replacing (C1) and (D1) by a convergent nozzle (CG) with variable geometry, followed by an optional transition zone (NT1) then a divergent nozzle (DG) to variable geometry too, the three walls deformable so as to modify the section of the neck between the two nozzles;
  • the deformable wall system may be of the same type as that described in chapter 2.1 and shown on the figure 2.1 for example .
  • the nozzle can be equipped with a system of variable geometry also allowing it to be slightly convergent, to facilitate the commissioning of the device under subsonic conditions.
  • the transition zone (NT1) provides a continuous connection between the ends of (CG) and (DG) with a generator with 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, this possibility of modifying its section makes it possible to make the temperature and the flow rate of the gas independent of each other. compress at the outlet of the intake chamber, while respecting the sonic flow constraint 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 the liquid sprayed, which causes a modification of the compression ratio of the device and its efficiency - both simultaneously.
  • the supersonic diverging expansion nozzle (D1) of variants 3 or 4 is replaced by an adjustable system consisting of an optional transition zone (NT ') followed by a duct (N2) which is slightly divergent, with the addition of a profiled core (K2) sliding axially in the subsonic expansion convergent (C1), in the transition zone (NT '), and in the conduit (N2); the core is fixed on a shaft traversing for example one or both ends of the device; the axial position of the core (K2) can be adjusted manually or automatically from the outside of the device by a thread arranged on a bearing, by an external jack, or by any other system that allows it.
  • an adjustable system consisting of an optional transition zone (NT ') followed by a duct (N2) which is slightly divergent, with the addition of a profiled core (K2) sliding axially in the subsonic expansion convergent (C1), in the transition zone (NT '), and in the conduit (N2); the core is fixed on a shaft travers
  • the spraying system can be housed in the zone (NT), in the zone (C3), or in the downstream end of (K "'2): see below.
  • the core (K2) is a part whose aerodynamic profile minimizes the pressure loss 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, a downstream part (K “'2) of decreasing section in the flow direction of the gas, and an intermediate portion (K "2) whose generator continues without angle ensures the connection between the generatrix of (K'2) and that of (K '" 2).
  • the part (K "'2) of the core (K2) is housed in the subsonic expansion convergent (C1), in the transition zone (NT'), and in the conduit (N2).
  • the core (K2) may be made of carbon steel for temperatures of less than 300.degree. stainless steel, steel cooled by internal circulation of cooling fluid, ceramic, or any other material having good resistance to abrasion and temperatures used.
  • the exemplary embodiment shown on the figure 5.1 shows a core (K2) supported by a shaft passing axially therethrough, resting itself on a bearing placed in the inlet chamber including a position adjustment thread; in this example, a single spray nozzle is installed at the downstream end of the portion (K "'2) of the core (K2).
  • the free space between (K'2) and (C1) constitutes a subsonic expansion convergent nozzle which performs the same function as the convergent nozzle of subsonic expansion (C1) variants 4 or 5, and the free space between (K "'2), (NT'), and (N2) is when it a divergent nozzle supersonic expansion which provides the same role as the nozzle (D1) of variants 3 or 4, the neck, ie the minimum passage section between these two nozzles of the figure 5.1 , is generally located between the maximum section of (K2) and the outlet section of (C1), and its section S's can be modified at any time from the outside by adjusting the axial position of the core (K2).
  • the conduit (N2) may be slightly convergent, to facilitate the commissioning of the device under subsonic conditions.
  • Variant 6 concerning a supersonic flow, follows from the variants 3 or 4 described above and also makes it possible to modify at any time the compression ratio and / or the efficiency of the device, just like variant 5; it also makes it possible to eliminate or to move towards the output of the device any pressure waves or shock waves which may in certain cases develop in the zones (D1), (NT), or (C3) variants 3 or 4; the principle of this variant is identical to that of variant 5, but the variable geometry concerns the second neck of the device; in this variant, the zones (C3), (C4), and (D) of the variants 3 and 4 are replaced by a variable geometry system controlled from outside the device and making it possible to modify the section of the neck comprised between (C3 ) and D) ; the system of variable geometry is obtained by any mechanism for modifying the section of this neck, such as those described in the examples below.
  • the system of variable geometry is obtained by replacing (C3), (C4), and (D) by a nozzle (CG1) with deformable walls that can be set to be preferably slightly divergent when the device is put into service then convergent thereafter, this nozzle then acting as converging nozzle relaxation / cooling (C3) and adiabatic converging nozzle adiabatic (C4);
  • (GC1) is followed by a divergent nozzle (DG1) with deformable walls too, the nozzle (DG1) then serves as a divergent adiabatic compression nozzle (D).
  • the system of deformable walls can be of the same type as that described in chapter 2.1 and represented on the figure 2.1 for example .
  • the first variable geometry nozzle is held in a slightly divergent position, until the compression ratio of the device is high enough that the pressure wave can develop in (D1) has moved in the second divergent nozzle (DG); after this evacuation of the pressure wave, the two variable geometry nozzles can gradually take up their operating position, the pressure wave moving towards the output of the device as the two variable geometry nozzles approach their service position.
  • the convergent compression / cooling nozzle (C3) and the convergent adiabatic supersonic compression nozzle (C4) variants 3 or 4 are replaced by a duct (N3) slightly diverging preferably, with an inlet diameter slightly greater than that of (D1) preferably, within which can be slid axially a profiled core (K3) fixed on a shaft traversing for example one or both ends of the device and for adjusting the position of (K3); the position of the core (K3) can be adjusted manually or automatically from the outside of the device by a thread arranged on a bearing, by a jack, or by any other external system allowing it.
  • the spray nozzle is housed in the zone (NT) or (N3).
  • the divergent duct (D) and optionally the plenum (T) may simply consist of an extension of the slightly divergent duct (N3).
  • the core (K3) is a part whose aerodynamic profile minimizes the pressure loss of the gas to be compressed; it consists of an upstream part (K'3) of increasing cross-section in the gas flow direction, of a downstream part (K “'3) of constant or decreasing section in the gas flow direction, and an intermediate part (K "3) whose continuous generator, without angle, provides the link between the generatrix 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 for temperatures of less than 300 °, made of stainless steel , in steel cooled by internal circulation of cooling fluid, ceramic, or any other material having good resistance to abrasion and temperatures used.
  • the exemplary embodiment shown on the figure 6.1 shows a shaft traversing the core (K3) from one side and resting on bearings placed in the inlet chamber and in the plenum, the latter including a position adjustment motor; the spray nozzle is placed at the end a sliding tube on the shaft.
  • a variant 7, concerning a supersonic flow, results from the simultaneous application of the variants 5 and 6 on the same device, and makes it possible to adjust from the outside independently of each other and at any moment the sections of the two necks. of the device, and thus to modify the flow rate of gas to be compressed, the compression ratio of the device, and its energy efficiency, while also allowing to remove or to move towards its exit any pressure waves or shock waves which may in some cases develop in divergent supersonic variants 3, 4, or 5; in this variant, the zones (C3), (C4), and (D) of the variant 5 are replaced, as for variant 6, by a variable geometry nozzle that can be set to be slightly divergent during the commissioning of the device then convergent thereafter, followed by a divergent nozzle with variable geometry; the diameter of the neck between the two nozzles can be continuously adapted to the diameter of the first neck of the device, that is to say the flow rate and the physical conditions of the gas to be compressed on admission, as well as the physical conditions in output of the device, that is to say the
  • the convergent compression / cooling nozzle (C3) and the convergent adiabatic supersonic compression nozzle (C4) of the figure 5.1 are replaced by a duct (N3) preferably slightly divergent, with an inlet diameter slightly greater than that of (D1) preferably, inside which can slide axially a core (K3) whose axis is fixed on a shaft traversing for example one or both ends of the device; the axial position of the core (K3) can be adjusted manually or automatically from the outside of the device by a thread arranged on a bearing, by an external jack, or by any other external system allowing it.
  • the zones (N2), (NT), (N3), (D) and (T) can be grouped into a single duct of slightly divergent section.
  • the core (K3) is a piece of solid revolution whose aerodynamic profile minimizes pressure losses of the gas to be compressed; it consists of an upstream part (K'3) of increasing cross-section in the gas flow direction, of a downstream part (K “'3) of constant or decreasing section in the gas flow direction, and an intermediate part (K "3) whose continuous generator, without angle, provides the link between the generatrix of (K'3) and that of (K '" 3).
  • the part (K'3) of the core (K3) is housed in the conduit (N3).
  • the spray nozzle is housed in one of the zones (N2), (NT), or (N3), between (K “'2), downstream end of (K2), and (K'3), upstream end of (K3).
  • the core (K3) can be made of carbon steel for temperatures of less than 300 °, made of stainless steel , in steel cooled by internal circulation of cooling fluid, ceramic, or any other material having good resistance to abrasion and temperatures used.
  • the exemplary embodiment shown on the figure 7.1 shows a shaft passing right through the core (K2) and the core (K3), and resting on bearings placed in the combustion chamber and in the plenum; each bearing includes a motor for adjusting the axial position of each of the cores, and the spray nozzle is installed directly on the downstream end of (K "'2).
  • the free space between (K2), (C1), (NT '), and (N2) comprises a first neck 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 section Ss adjustable from the outside by adjusting the axial position of the core (K3).
  • a variant 8 concerning the spray nozzles of the basic option 1 or variants 2 to 7 described above, is represented on the figure 8 ; it consists in using as a spray assist fluid a portion of the compressed gas generated by the device, or steam generated by heat recovery on the compressed gas downstream of the plenum.
  • This variant makes it possible to reduce the size of the droplets of sprayed liquid and to increase their initial speed without any additional supply of external mechanical energy, and thus to improve the energy efficiency of the device.
  • figure 8 the same type of installation as that of the figure 7.1 but it is equipped with assistance with spraying from compressed air taken out of the device.
  • T plenum
  • any other heat source internal to the device such as heat recovered in the double envelopes, or heat external to the device, may be used .
  • figure 9 the same type of installation as that of the figure 8 , in which the liquid to be sprayed is first heated in a heat exchanger installed on the line of evacuation of the compressed gas.
  • a device according to the figure 9 having the same dimensions and the same performance as the embodiment of variant 8, with an addition temperature of the compressed air increased by 20 ° C, can be obtained by adding on the discharge line a heat exchanger thermal (E'1) for preheating at 40 ° C the spray water.
  • E'1 heat exchanger thermal
  • a variant 10 relates to the parallel or series installation of several of the devices described in the basic option 1 and the variants 2 to 9 in order to facilitate its implementation, to achieve compression rates that can not be achieved. by a single device, to improve the overall efficiency of the installation, or to facilitate the commissioning of the installation; the devices can be distinct from each other as in the example of the figure 10 described below, or nested one inside the other as in the example of the figure 10.1 two devices installed in parallel in the same envelope, or as in the examples of the Figures 10.2, 10.3 , and 10.4 wherein two devices according to claims 2 and 9 are installed in series and nested within each other with suction line, inlet chamber (C), convergent (C1) and (C2), and inlet core common core (K) for the first subsonic and core device (K2) for the second supersonic device.
  • C suction line
  • C inlet chamber
  • C1 and C2 convergent
  • K inlet core common core
  • figure 10 allows the commissioning of a supersonic compression air compressor with a high compression ratio, using a low-performance starter compressor. It consists of two separate devices installed in series: a first sonic device according to the figure 2 . 3 with upstream core for adjusting air flow and whose suction line includes a filter, a silencer, a compressor, and an oil burner, followed by a supersonic downstream device according to the figure 9 with upstream and downstream cores whose suction line includes an exchanger for heating the air with a thermal fluid; the discharge line of the downstream device includes a recovery exchanger for heating the thermal fluid followed by a second heat exchanger for heating the spray water.
  • the first upstream device is used only 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 used in normal operation and therefore having to be efficient, includes in addition a heat recovery device for heating the air at the intake, a second recuperator for heating the spray water, and an assistance for spraying by using compressed air taken out of the installation.
  • figure 10.1 allows the realization of a compressor of very large capacity by the parallel use of two devices identical to that shown on the figure 8 ; the two devices installed in parallel are nested one inside the other, the cores of each of them being installed in a common envelope; this arrangement reduces the size of the cores, which would become too large on a single device of very large capacity.
  • figure 10.2 is a simplified version of the example of the figure 10 in which the two devices are nested; it consists of a supersonic device according to the figure 9 in which the ducts (N2), (NT), (N3), and (D) are grouped together in a single, slightly divergent duct, and in which the zone (C1) can act as the zones (C1) and (C2) of the sonic device shown on the figure 2.3 ; the kernel (K2) of the supersonic device has spray nozzles distributed along its axis, and may act as the nucleus (K1) of the sonic device shown in FIG. figure 2.3 .
  • the core (K3) is completely removed in the plenum (T); the compressor, the burner, and the nucleus spray nozzles (K1) are put into operation, and the upstream part of the device is used alone, as a sonic installation; when the pressure downstream of (C2) is sufficiently high, the compressor is stopped, the supersonic part of the device is also put into operation and, when the pressure in the plenum is sufficiently high, the spraying nozzles of the core (K1), ie those of the sonic device, are stopped gradually; the entire installation then functions as a single supersonic device, and the flow rate, compression ratio, and plant efficiency settings can be made by adjusting the burner, the flow rate of the liquid sprayed, and the positions of ( K2) and (K3).
  • figure 10.3 is also a simplified version of a sonic device embedded in a supersonic device to facilitate commissioning; it consists of a supersonic device according to the figure 7 with variable-geometry nozzles by deformable walls in which the convergent (CG) of the supersonic device can play the role of the convergents (C1) and (C2) of the sonic device represented on the figure 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 zone (C2) of the sonic device.
  • CG convergent
  • R spray nozzles
  • the duct (CG1) When the installation is put into service, the duct (CG1) is placed in the starting position, slightly diverging; the compressor, the burner, and the nozzles of the sonic device are put into operation, and the upstream part of the device is used alone, as a sonic installation; when the pressure downstream of (C2) is sufficiently high, the compressor is stopped, the downstream supersonic part of the device is also put into operation and, when the pressure in the plenum chamber is sufficiently high, the spray nozzles of the device sonic are also gradually stopped; the entire installation then functions as a single supersonic device, and the flow rate, compression ratio, and efficiency settings of the installation can be made by adjusting the burner, the flow rate of the sprayed liquid, 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, it allows the commissioning of a supersonic air compression device with a high compression ratio, using a low-performance starter compressor; it consists of a supersonic device according to the figure 8 and a sonic device according to the figure 2.4 installed in series and nested in one another.
  • the ducts (NT '), (N2), (NT), and (N3) are grouped into a single, slightly convergent duct, and the core (K3) and the spray nozzle (R) of the supersonic device are also used as a core (K1) and as a nozzle (R) of the sonic device when the latter is used.
  • the sonic device is used alone, the core (K2), then being entirely withdrawn in (C), until a pressure gain is obtained which is sufficient to allow the setting in use of the supersonic device, ie to allow the introduction of (K2) in (C1) to create a divergent).

Description

  • La présente invention concerne un compresseur d'air ou de tout autre gaz à faible coût de revient, dont l'énergie primaire utilisée dans le cycle de compression n'est pas de l'énergie mécanique ou électrique comme dans la plupart des compresseurs, mais directement de l'énergie thermique ; ce compresseur ne comporte aucune partie mobile soumise à usure, et les pertes d'énergie dues aux frottements ainsi que l'excédent de chaleur de la source froide du cycle peuvent être récupérés pour être réutilisés dans le cycle de compression ou pour générer de la vapeur sous pression qui, mélangée au gaz comprimé, en augmente le débit.
  • Ce dispositif trouve son application dans la compression ou la mise sous vide partiel de tout gaz industriel, mais son cycle thermique le prédestine particulièrement à la réalisation de centrales thermo-énergétiques à rendement élevé, à la réalisation de systèmes d'économie d'énergie tels que la recompression mécanique de vapeur, ou à la récupération et reconversion d'énergie thermique résiduelle.
  • Dans l'état actuel de la technique, Les compresseurs sont constitués de dispositifs dans lesquels l'énergie de compression du gaz est fournie sous forme d'énergie mécanique : compresseurs volumétriques, compresseurs centrifuges ou axiaux, ..., ou d'énergie potentielle ou cinétique d'un autre gaz d'entraînement, ce qui est la encore une forme d'énergie mécanique : éjecteurs .
  • Par ailleurs, il existe des dispositifs du type « éjecteurs » dans lesquels l'énergie mécanique de compression a comme origine l'énergie cinétique d'un gaz ou d'un liquide d'entraînement, ce qui est le cas des brevets N° BE537693 , GB928661 , et EP0514914 , ou encore d'un dispositif concernant uniquement des mélanges de gaz sans présence de liquide, ce qui est le cas du brevet N° US3915222 . Les principes mêmes de fonctionnement de ces dispositifs diffèrent fortement de l' objet du présent brevet, pour lequel l'énergie de compression n'est ni de l'énergie mécanique ni de l'énergie cinétique d'un fluide d'entraînement, mais uniquement de l'énergie thermique, avec mélange indispensable du gaz à comprimer à un liquide dont l'évaporation permet d'absorber la chaleur à évacuer à la source froide du cycle .
  • Les compresseurs correspondant à l'état actuel de la technique nécessitent un entretien important du fait des frottements mécaniques et des usures qui en résultent, et présentent des rendements énergétiques faibles ,voir très faibles pour les éjecteurs , dus essentiellement :
    • Aux multiples conversions d'énergie dans les équipements utilisés : Moteurs thermiques ou Turbines pour convertir de l'énergie thermique en énergie mécanique ou électrique, éventuellement alternateurs et moteurs électriques pour retransformer l'énergie électrique en énergie mécanique, puis enfin compresseurs pour transférer l'énergie mécanique au gaz à comprimer,
    • Aux températures relativement basses utilisées lors de la première transformation de l'énergie thermique en énergie mécanique dans les centrales électriques,
    • Au réchauffement du gaz à comprimer lors de sa compression, ce qui l'éloigne inéluctablement d'une compression adiabatique,
    • Aux frottements mécaniques et aux pertes d'énergie cinétique du gaz à comprimer,
    • À la non-récupération , dans le cycle total, des énergies thermiques provenant de la compression, des pertes par frottement, et de la source froide du moteur ou de la turbine,
    • Aux usures mécaniques,
    • Aux dépots et encrassements sur les compresseurs d'air : même les lavages fréquents des compresseurs des turbines à gaz ne peuvent qu'atténuer l'effet de ces encrassements.
  • Le dispositif selon l'invention qui n'utilise ni énergie mécanique ni énergie cinétique d'entraînement mais uniquement de l'énergie thermique pour comprimer le gaz, permet de remédier à la plupart de ces inconvénients par l'utilisation d'un cycle différent, consistant à pré-traiter le gaz à comprimer et à lui fournir directement de l'énergie thermique, à détendre ce dernier à une vitesse sonique ou supersonique à travers des tuyères de détente, à effectuer un prélèvement de chaleur à haute vitesse et donc à basse température par pulvérisation et évaporation contrôlée de liquide répartie dans une tuyère de détente-refroidissement, la tuyère permettant de maintenir une vitesse élevée, et enfin à recomprimer ce gaz dans une tuyère de compression adiabatique afin de ramener sa vitesse à une valeur d'écoulement normale ; les tuyères de détente, de détente-refroidissement, et de compression adiabatique peuvent être équipées d'un système de géométrie variable, permettant d'ajuster les sections de leurs cols d'entrée et/ou de sortie afin de régler entre autres le débit et le taux de compression du dispositif Le prélèvement de chaleur à basse température provoque une chute d'entropie considérable dans le gaz à comprimer, qui se traduit par une pression en sortie du dispositif très supérieure à la pression d'entrée.
  • Dans ce dispositif, les pertes d'énergie dues aux pertes de charge du gaz à comprimer ainsi que les déperditions thermiques par les parois du dispositif se retrouvent réinjectées sous forme de chaleur dans le gaz à comprimer, diminuant d'autant l'apport thermique initial .
  • De même, la chaleur excédentaire de la source froide est évacuée par l'évaporation du liquide pulvérisé, ce qui augmente d'autant le débit de gaz comprimé en sortie du dispositif; cette augmentation du débit, qui peut être éliminée en sortie du dispositif par condensation, est utile pour certaines applications du dispositif, et en particulier pour la réalisation de centrales thermo-électriques où elle se substitue très avantageusement aux générateurs de vapeur dans des centrales à vapeur et surtout dans des centrales à cycles combinés.
  • La présente invention a donc pour objet un dispositif selon les dispositions des revendications indépendantes 1,3 et 4. L'invention vise également les points caractéristiques et les formes de réalisations décrites et revendiquées dans les revendications dépendantes 2 et 5 à 10.
  • 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 figure 1, le dispositif selon l'invention utilise un écoulement subsonique ou sonique ; il comporte une ligne d'aspiration équipée pour pré-traiter et réchauffer le gaz à comprimer, une chambre d'admission (C) optionnelle destinée à tranquilliser le flux gazeux avant son admission dans un convergent de détente (C1) permettant d'accroître sa vitesse jusqu'à la vitesse sonique éventuellement, une zone de transition (N), une tuyère convergente de Détente/Refroidissement (C2), un système de refroidissement (R) constitué d'un ensemble de buses de pulvérisation d'eau (ou autre liquide) de débit et/ou de position réglables à partir de l'extérieur du dispositif réparties le long des zones (N) et (C2) et destinées à extraire de la chaleur du gaz à comprimer par évaporation du liquide injecté, et enfin un divergent de compression adiabatique (D) destinée à comprimer le gaz en réduisant sa vitesse jusqu'à une vitesse d'écoulement normale de l'ordre de 10 à 50 m/s avant son admission dans une chambre de tranquillisation (T) et son refoulement dans une conduite d'évacuation.
  • La zone de transition (N) assure une liaison continue entre les extrémités de (C1) et (C2) avec une génératrice à pente monotone, et sans angle.
  • L'aspiration est équipée des éléments permettant de réchauffer le gaz à comprimer, tels que : Echangeurs thermiques (E1), (E2),..., (En) utilisant, directement ou à l'aide d'un fluide intermédiaire, la chaleur résiduelle contenue dans le gaz comprimé en sortie du dispositif ou toute autre source de chaleur disponible par ailleurs, Brûleur (B) alimenté en combustible, turbine de détente (TB); ces éléments sont destinés à réchauffer le gaz à comprimer si sa température n'est pas suffisamment élevée à l'entrée du dispositif ; Selon le besoin auquel est destiné le gaz à comprimer, l'aspiration peut être équipée d'éléments supplémentaires tels que : Filtre d'aspiration (F), Silencieux (S), Compresseur primaire (CP) destiné à la mise en service du dispositif.
  • De même, selon le contexte d'utilisation du dispositif, la conduite d'évacuation peut être équipée d'éléments tels que : Systèmes de recyclage des gaz chauds, Echangeurs (E'1), (E'2),..., (E'n) permettant de récupérer la chaleur résiduelle contenue dans le gaz comprimé du dispositif, Silencieux (S') ; ces équipements peuvent n'être alimentés que par une partie du gaz comprimé, et peuvent être installés en aval d'un brûleur et d'une turbine si le dispositif est destiné à une production d'énergie mécanique ou électrique.
  • Le réchauffage du gaz en amont de (C) permet de le surchauffer pour éloigner sa température de la température de saturation avec le liquide pulvérisé ; selon le taux de compression et le rendement recherchés, la température de surchauffe peut s'étendre de 100°C jusqu'à plus de 1500°C.
  • Lors de son écoulement dans la tuyère convergente de Détente / Refroidissement (C2), le gaz est à chaque instant détendu et mis en vitesse dans la tuyère convergente, et simultanément refroidi par l'évaporation du liquide pulvérisé, ce qui provoque sa contraction en régime sonique ou subsonique et donc une chute de vitesse avec chute d'entropie et augmentation de pression, ce qui atténue ou supprime la tendance à l'accroissement de vitesse due au convergent : la répartition de la pulvérisation et de l'évaporation le long de la zone neutre (N) et de la tuyère-(C2) permet de réaliser l'équilibre entre les tendances d'augmentation et de baisse de la vitesse, et donc d'effectuer un prélèvement de chaleur tout en maintenant une vitesse optimale sonique ou subsonique tout au long de l'axe de (C2).
  • A cet effet, le système de refroidissement (R) permet d'ajuster la répartition du refroidissement le long de l'axe de (C2) par tout moyen permettant le réglage du débit et de la position de chaque buse ; un exemple de réalisation, représenté sur la figure 1.1, montre des buses disposées dans des ailettes radiales réparties le long de l'axe de (C2), avec possibilité de régler manuellement ou automatiquement à partir de l'extérieur le débit de liquide injecté dans chaque rangée de buses à l'aide de vannes externes ; un second exemple de réalisation préférentielle, représenté sur la figure 1.2, montre des buses de pulvérisation réparties le long de l'axe du dispositif dans les zones (N) et (C2) et disposées en extrémité de tubes concentriques coulissants axialement ; les tubes sont supportés par des paliers filetés en extrémité de la chambre d'admission, les filetages permettant de régler manuellement ou automatiquement à partir de l'extérieur la position de chaque buse de pulvérisation ; des vannes externes permettent de régler le débit de chaque buse .
  • Bien entendu le dispositif peut être conçu avec une seule buse de pulvérisation, mais il présente alors un rendement dégradé.
  • Afin de réduire la longueur de la zone (C2) et donc de diminuer les pertes de charge du gaz à comprimer à travers le dispositif, les buses de pulvérisation retenues sont préférentiellement des buses à haute vitesse d'injection et à dimensions minimales des gouttelettes, telles que des buses à haute pression, avec assistance à l'air comprimé ou à la vapeur, et éventuellement à ultra-sons ou à micro-ondes.
  • Pour des températures de gaz à l'entrée de (C) inférieures à 300°C, les parties (C), (C1), (N), (C2), (D), et (T) peuvent être réalisées en acier au carbone, en acier inoxydable, ou tout autre matériaux compatible avec le gaz à comprimer et présentant une bonne résistance mécanique et une bonne résistance à l'abrasion à 300°C ; pour des températures de gaz à l'entrée de (C) supérieures à 300°C, ces parties peuvent par exemple être réalisées en acier au carbone revêtu intérieurement de calorifuge ou de réfractaire, en acier au carbone ou inoxydable avec double enveloppe refroidie à l'eau ou au gaz à comprimer, en céramique, ou tout autre matériau doté d'une bonne résistance mécanique et d'une bonne résistance à l'abrasion aux hautes températures.
  • A titre d'exemple de réalisation, le dispositif selon la figure 1 permet de comprimer de 1 bar A à 2,5 bar A près de 30.000 Nm3 /heure d'air, à partir des éléments suivants :
    • 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 brûleur fonctionnant au gaz naturel avec revêtement intérieur de la ligne d'aspiration en béton réfractaire au niveau du brûleur et en aval ; le brûleur permet de préchauffer l'air à une température voisine de 1200 °C .
    • Une chambre d'admission cylindrique (C) de longueur 1,5 m et de diamètre voisin de 1,2 m
    • Un convergent de détente cylindrique (C1) de longueur 0,6 m et de diamètre de sortie 0,6 m
    • Une zone de transition (N) cylindrique de diamètre 0,6 m et de longueur 0,3 m
    • Une tuyère (C2) de diamètre d'entrée 0,6 m, de diamètre de sortie voisin de 0,35 m et de longueur totale voisine de 1 m
    • Un divergent (D) de diamètre d'entrée 0,35 m et de longueur 0,3 m
    • Une chambre de tranquillisation (T) de diamètre 0,6 m et de longueur 0,7 m
    • Un échangeur thermique entre l'air comprimé en sortie de (T) et l'air à l'aspiration.
  • La chambre d'admission (C) est réalisée en acier au carbone revêtu intérieurement de béton réfractaire, tandis que (C1), (N), (C2), (D), et (T) sont réalisés en acier au carbone à double enveloppe refroidie par circulation de l'air à comprimer avant son entrée à l'aspiration d'air ; les buses de pulvérisation, installées sur -et alimentées par- un système de tubes coulissants concentriques en acier au carbone de diamètre extérieur 60 mm traversant la chambre d'admission, sont réparties dans (C2) et permettent d'injecter près de 4,7 kg/seconde d'eau à 200 m/seconde avec des dimensions moyennes de gouttelettes voisines de 10 µm.
    • VARIANTE 2
  • Une variante 2, concernant un écoulement sonique ou subsonique, représentée sur les figures 2.1, 2.2, 2.3, et 2.4, permet de régler le débit du gaz à comprimer, le taux de compression, et le rendement énergétique du dispositif. Dans cette variante, la tuyère de détente/ refroidissement (C2) et le divergent de compression adiabatique (D) de la version de base 1 sont remplacées par une tuyère convergente et une tuyère divergente les deux à géométrie 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 géométrie variable, commandé depuis l'extérieur du dispositif, est obtenu par tout mécanisme permettant de modifier la section de passage du col du dispositif, tel que l'utilisation de parois déformables sur les tuyères (C2) et (D) comme présenté dans l'exemple de la figure 2.1, ou l'adjonction d'un noyau profilé (K) ou (K1.) pouvant coulisser axialement dans les zones (N), (C2), et (D) et fixé sur un arbre traversant l'une ou les deux extrémités du dispositif permettant de régler la position du noyau depuis l'extérieur comme dans les exemples des figures 2.2, 2.3, et 2.4.
  • L'exemple de la figure 2.1 concerne une tuyère de section circulaire à parois déformables; la zone (C2) et la zone (D), sont constituées de lamelles d'acier flexibles se chevauchant et disposées régulièrement sur les génératrices du dispositif, et leurs extrémités sont soudées sur les rebords de la zone de transition (N) et de la chambre de tranquillisation ; des colliers de serrage circulaires ou tout autre système tel que des vérins, etc.. permettent de modifier la section centrale du dispositif, qui constitue alors le col des zones (C2) et (D).
  • Les autres éléments du dispositif sont identiques à ceux décrits dans la version de base 1 . L'exemple de réalisation représenté sur la figure 2.1 présente les mêmes performances que l'exemple précédent concernant le cas de base 1, avec la possibilité de modifier le débit et le taux de compression du gaz à comprimer.
  • L'exemple de la figure 2.2 concerne une tuyère de section rectangulaire; il est équipé d'un système réglable constitué d'un noyau (K) coulissant axialement dans les zones (N), (C2), et (D), et dont l'axe est fixé sur un arbre traversant l'une ou les deux extrémités du dispositif; la position axiale du noyau (K) peut être réglée manuellement ou automatiquement à partir de l'extérieur par un filetage disposé sur un palier, par un vérin externe, ou par tout autre système externe.
  • Les buses de pulvérisation sont réparties dans les zones (N) et (C2).
  • Les autres éléments du dispositif sont identiques à ceux décrits dans la version de base 1.
  • Le noyau (K) est une pièce de section rectangulaire dont deux faces opposées parallèles à l'axe sont juxtaposées aux faces de la tuyère ; les deux autres faces du noyau ont un profil aérodynamique permettant de minimiser les pertes de charge du gaz à comprimer ; chacune d'elles est constituée d'une partie amont (K') de section constante ou croissante dans le sens d'écoulement du gaz, d'une partie aval (K"') de section décroissante dans le sens d'écoulement du gaz, et d'une partie intermédiaire (K") dont le profil continu, sans angle, assure le lien entre la génératrice de (K') et celle de (K"').
  • Les parties (K"') du noyau (K) coulissent dans le col compris entre la tuyère de détente/refroidissement (C2) et le divergent de détente adiabatique (D).
  • Selon l'application recherchée pour le dispositif et selon les températures du gaz à comprimer à l'entrée de la chambre d'admission (C), le noyau (K) peut être réalisé en acier au carbone pour des températures inférieures à 300°C, en acier inoxydable, en acier refroidi par circulation interne de fluide de refroidissement, en céramique, ou en tout autre matériau présentant une bonne tenue à l'abrasion et aux températures mises en oeuvre.
  • L'exemple de la figure 2.3 concerne un dispositif de section circulaire; il est équipé d'un système réglable constitué d'un noyau (K) coulissant axialement dans les zones (N ), (C2 ), et (D), le noyau étant fixé sur un arbre traversant l'une ou les deux extrémités du dispositif ; la position axiale du noyau (K) peut être réglée manuellement ou automatiquement à partir de l'extérieur par un filetage disposé sur un palier, par un vérin externe, ou par tout autre système externe.
  • Les buses de pulvérisation sont réparties dans les zones (N) et (C2) .
  • Les autres éléments du dispositif sont identiques à ceux décrits dans 1a 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 à comprimer ; il est constitué d'une partie amont (K') de section constante ou croissante dans le sens d'écoulement du gaz, d'une partie aval (K"') de section décroissante dans le sens d'écoulement du gaz, et d'une partie intermédiaire (K") dont la génératrice continue (sans angle) assure le lien entre la génératrice de (K') et celle de (K"'). La partie (K"') du noyau (K) coulissé dans le col compris entre la tuyère de détente/refroidissement (C2) et le divergent de détente adiabatique (D).
  • Selon l'application recherchée pour le dispositif et selon les températures du gaz à comprimer à l'entrée de la chambre d'admission (C), le noyau (K) peut être réalisé en acier au carbone pour des températures inférieures à 300°, en acier inoxydable, en acier refroidi par circulation interne de fluide de refroidissement, en céramique, ou en tout autre matériau présentant une bonne tenue à l'abrasion et aux températures mises en oeuvre.
  • L'exemple de réalisation représenté sur la figure 2.3 montre un arbre traversant (K ) et supporté par un palier placé dans la chambre d'admission, et par un second palier en extrémité de la chambre de tranquillisation (T), ce dernier incluant un filetage de réglage de position du noyau et des buses de pulvérisation.
  • Lors de l'écoulement du gaz à comprimer dans le convergent de détente/refroidissement (C2), l'espace libre compris entre (K"') et (C2) constitue une tuyère convergente qui assure le même rôle que la tuyère convergente de compression/ refroidissement (C2) décrite dans la variante 1 ; le col, c'est à dire la section de passage minimale ,de cette tuyère convergente est situé légèrement en amont du col de sortie de (C2), et sa section Ss peut être modifiée à tout moment à partir de l'extérieur par ajustement de la position axiale du noyau (K) .
  • Cet ajustement de la section Ss au col, accompagné d'un ajustement de débit du liquide pulvérisé, permet de modifier le débit du fluide à comprimer, ou encore de modifier le taux de compression et le rendement énergétique du dispositif par modification de la température de réchauffage du gaz à l'entrée de la chambre d'admission .
  • L'exemple de réalisation représenté sur la figure 2.3 présente les mêmes performances que l'exemple précédent concernant le cas de base 1, avec les modifications suivantes permettant d'ajuster le débit et le taux de compression du gaz à comprimer :
    • Le diamètre de la zone de transition (N) devient 0,45m,
    • Les diamètres d'entrée et de sortie de la tuyère convergente de détente/refroidissement (C2) deviennent respectivement 0,45m et 0,22m ,
    • Le diamètre d'entrée du divergent (D) devient 0,22m ,
    • Rajout d'un noyau (K) en acier inoxydable refroidi par circulation interne d'eau de diamètre maximum 0,3 m, de diamètre minimum 0,1m 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 identique à celui de la variante 2.3, mais ici le noyau est installé en aval du dispositif.
  • Le dispositif est équipé d'un noyau (K1) coulissant axialement dans les zones (N), (C2), (D), et (T), et dont l'axe est fixé sur un arbre traversant l'une ou les deux extrémités du dispositif; la position axiale du noyau (K1) peut être réglée manuellement ou automatiquement à partir de l'extérieur par un filetage disposé sur un palier, par un vérin externe, ou par tout autre système externe.
  • Les buses de pulvérisation sont réparties dans les zones (N) et (C2).
  • Les autres éléments du dispositif sont identiques à ceux décrits dans la version de base 1.
  • Le noyau (K1) est une pièce de révolution pleine dont le profil aérodynamique permet de minimiser les pertes de charge du gaz à comprimer ; il est constitué d'une partie amont (K'1) de section croissante dans le sens d'écoulement du gaz, d'une partie aval (K"'1) de section constante ou décroissante dans le sens d'écoulement du gaz, et d'une partie intermédiaire (K"1) dont la génératrice continue, sans angle, assure le lien entre la génératrice de (K'1) et celle de (K"'1).
  • La partie (K'1) du noyau coulisse dans le col compris entre la tuyère de détente /refroidissement (C2) et le divergent de détente adiabatique (D).
  • Selon l'application recherchée pour le dispositif et selon les températures du gaz à comprimer à l'entrée de la chambre d'admission (C), le noyau (K1) peut être réalisé en acier au carbone pour des températures inférieures à 300° , en acier inoxydable, en acier refroidi par circulation interne de fluide de refroidissement, en céramique, ou en tout autre matériau présentant une bonne tenue à l'abrasion et aux températures mises en oeuvre.
  • L'exemple de réalisation représenté sur la figure 2.4 montre un arbre traversant le noyau (K1) de part en part et reposant sur des paliers placés dans la chambre d'admission et dans la chambre de tranquillisation, ce dernier incluant un filetage de réglage de position.
  • Lors de l'écoulement du gaz à comprimer dans la zone (C2), l'espace libre compris entre (K1) et le conduit (C2) constitue une tuyère convergente qui assure le même rôle que la tuyère convergente de compression/ refroidissement (C2) décrite dans la version de base 1 ; le col, c'est à dire la section de passage minimale en aval de cette tuyère convergente, est en général situé en aval du col de sortie de (C2), et sa section Ss peut être modifiée à tout moment à partir de l'extérieur par ajustement de la position axiale du noyau (K1).
  • Cet ajustement de la section Ss au col, accompagné d'un ajustement de débit du liquide pulvérisé, permet de modifier le débit du fluide à comprimer, ou encore de modifier le taux de compression et le rendement énergétique du dispositif par modification de la température de réchauffage du gaz à l'entrée de la chambre d'admission .
  • A titre d'exemple de réalisation, le dispositif représenté sur la figure 2.4 présente les mêmes performances que l'exemple de réalisation concernant le cas de base 1, avec les modifications suivantes permettant d'ajuster le débit et le taux de compression du gaz à comprimer :
    • Les diamètres d'entrée et de sortie de la tuyère convergente de détente/refroidissement (C2) deviennent respectivement 0,60 m et 0,36 m ,
    • Le diamètre d'entrée du divergent (D) devient 0,36 m , et sa longueur devient 0,5 m
    • Rajout d'un noyau (K) en acier inoxydable refroidi par circulation interne d'eau de diamètre maximum 0,35 m, de diamètre minimum 0,07 m à entrée de (K') et à la sortie de (K"'), de longueur totale 1,0 m, supporté par un arbre de diamètre 70 mm reposant sur des paliers installés en (C) et en (T), avec filetage de réglage de sa position.
    • Le système de buses de pulvérisation est identique à celui de l'exemple de réalisation du cas de base 1, mais les tubes coulissants sont logés dans l'arbre support du noyau.
    VARIANTE 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 fluide entre l'entrée dans la chambre d'admission (C) et la zone de refroidissement.
  • Les modifications par rapport à la version de base 1 concernent d'une part l'utilisation du convergent de détente (C1) dans lequel le fluide à comprimer est systématiquement détendu jusqu'à la vitesse sonique, et d'autre part le remplacement de la zone de transition (N) et de la tuyère (C2) par une tuyère divergente de détente supersonique (D1), suivie d'une zone de transition (NT), d'une tuyère convergente de compression/ refroidissement (C3), et d'une tuyère convergente de compression adiabatique (C4); le système de buses de pulvérisation (R), identique à celui de la version de base 1, est installé dans la zone (C3) et éventuellement, comme décrit par la suite, dans les zones (D1) ou (NT).
  • La zone de transition (NT) assure une liaison continue entre les extrémités de (D1) et (C3) avec une génératrice à pente monotone, et sans angle.
  • Les autres éléments du dispositif sont identiques à ceux décrits dans la version de base 1.
  • Le fluide à comprimer est réchauffé en amont de la zone (C) jusqu'à une température pouvant largement dépasser 1000 à 1500°C, puis détendu tout au long des zones (C1) et (D1) qui constituent une tuyère convergente/ divergente de détente supersonique avec vitesse sonique au col jusqu'à une pression Pa une vitesse Va et une température Ta, et enfin comprimé avec élévation de température dans la tuyère convergente de compression/ refroidissement (C3) avec, simultanément dans la même tuyère (C3), prélèvement de chaleur par évaporation de liquide pulvérisé ; la tuyère convergente de compression adiabatique (C4) permet de ramener le fluide à la vitesse sonique avant sa compression adiabatique subsonique dans le divergent de compression adiabatique (D) et son évacuation.
  • Le système de pulvérisation est constitué d'une série de buses dont les positions et/ou les débits peuvent être ajustés manuellement ou automatiquement à partir de l'extérieur, selon le même concept que dans la version de base 1 ; le prélèvement de chaleur par évaporation des gouttelettes pulvérisées peut être effectuée dans la zone (D1), le cycle se rapprochant alors d'un refroidissement isobare, mais ce cas présente peu d'intérêt pratique : nous ne mentionnerons dans la suite du descriptif que le prélèvement de chaleur effectué dans les zones (NT) ou (C3) avec un cycle se rapprochant d'une transformation isotherme, les buses de pulvérisation étant réparties dans la zone (C3) et éventuellement, par anticipation, dans la zone de transition (NT) pour tenir compte du temps de décalage entre la pulvérisation et l'évaporation.
  • Le rendement énergétique théorique du dispositif est d'autant plus élevé que la température du gaz à comprimer à l'entrée de (C) est élevé et que la température de détente Ta est basse, cette dernière restant cependant supérieure à la température de saturation Ts du gaz vis-à-vis du liquide pulvérisé car la différence de température DT=Ta-Ts est nécessaire pour l'évaporation du liquide pulvérisé à l'entrée des zones (NT) et (C3) ; dans le cas particulier où Ta est inférieur à Ts, l'évaporation du liquide pulvérisé, et donc le prélèvement de chaleur dans le gaz à comprimer, ne commencera en (C3) que lorsque, sous l'effet de la compression, la température réelle du gaz aura dépassé sa température de saturation.
  • L'évaporation du liquide pulvérisé et le prélèvement de chaleur dans les zones (NT) et (C3) 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 à comprimer à travers (C3) ; dans la pratique, des dimensions de gouttelettes de l'ordre de 5 à 30 µm, et des écarts de température DT=Ta-Ts de l'ordre de 10°C à 100°C, conduisent à des dimensions du dispositif et à des pertes de charge du gaz à travers (C3) tout à fait acceptables.
  • Le dimensionnement du dispositif dépend bien évidemment en premier lieu du débit et des caractéristiques du gaz à comprimer, ainsi que de la pression de sortie recherchée ; ces critères étant fixés, les choix de la température de réchauffage du gaz en amont de (C), du taux de détente à travers (C1) et (C2), et des dimensions des gouttelettes, résultent d'un compromis entre les équipements standards disponibles sur le marché : types de buses de pulvérisation, matériaux, etc ..., et entre les dimensions et le prix du dispositif, et son rendement énergétique.
  • A titre d'exemple de réalisation, un compresseur d'air constitué d'un dispositif selon la figure 3 permet de comprimer de 1 bar A à 1,5 bar A près de 20000 Nm3 par heure d'air, à partir des éléments suivants :
    • Une aspiration d'air de diamètre intérieur 0,47 m en acier au carbone revêtu intérieurement de béton réfractaire avec un compresseur primaire de démarrage capable de développer une surpression de 500 mbar et un brûleur fonctionnant au gaz naturel et permettant de réchauffer l'air à 1000°C ,
    • une chambre d'admission (C) de diamètre 0,97 m et de longueur 1,16 m,
    • une tuyère convergente de détente subsonique (C1) de diamètre au col voisin de 0,295 m, et de longueur 0,670 m,
    • une tuyère divergente de détente supersonique (D1) de diamètre d'entrée voisin de 0,295 m de diamètre de sortie voisin de 0,388 m, et de longueur 0,2 m dans laquelle l'air est détendu jusqu'à 0,1 barA à près de 370 °C et 1160m/s,
    • 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 sortie voisin de 0,7 m, et de longueur 1m,
    • une chambre de tranquillisation (T) de diamètre 0,7 m et de longueur 0,84 m,
    • un système de buses de pulvérisation à ultra-sons avec assistance à l'air comprimé, capable de pulvériser 1,22 kg par seconde d'eau, avec un diamètre de gouttelettes voisin de 5 µm,
    • un échangeur thermique permettant de refroidir l'air comprimé à la sortie de (T), et de réchauffer l'air avant son entrée dans (C) à près de 480 °C.
  • La chambre d'admission (C) est réalisée en acier au carbone revêtu intérieurement de béton réfractaire, tandis que (C1), (D1), (C3), (C4), (D), et (T) sont réalisés en acier au carbone à double enveloppe refroidie par circulation de l'air à comprimer avant son entrée à l'aspiration d'air ; les buses de pulvérisation à ultra-sons, installées sur -et alimentées par- un système de tubes coulissants concentriques en acier au carbone de diamètre extérieur 40 mm traversant la chambre d'admission, sont réparties dans (C3).
    • VARIANTE 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 buses de pulvérisation réparties le long de l'axe du dispositif par une buse axiale unique ou par des buses radiales, placée(s) à 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'évaporation du liquide injecté; le débit et la position axiale de ces buses peuvent être réglés manuellement ou automatiquement à partir de l'extérieur du dispositif.
  • Les autres éléments du dispositif sont identiques à ceux décrits pour la variante 3.
  • La figure 4 représente un exemple de réalisation avec une buse unique située sur l'axe du dispositif, à l'extrémité d'un arbre traversant la chambre d'admission, et dont le débit et la position peuvent être réglés manuellement ou automatiquement à partir de l'extérieur ; la figure 4.1 représente un autre exemple de réalisation avec plusieurs buses axiales du même type, et la figure 4.2 représente un troisième exemple de réalisation avec des buses à débit réglable disposées sur des ailettes radiales. L'exemple de la figure 4, qui est le plus pratique, sera seul mentionné dans le reste du descriptif.
  • Dans cette variante, la totalité du débit de fluide pulvérisé est injecté en début du cycle de prélèvement de chaleur, dans la zone (NT) ou à l'entrée de (C3) ; Le gaz à comprimer est rapidement saturé à l'entrée de (C3) par l'évaporation d'une partie des gouttelettes, le reste des gouttelettes restant en suspension dans le flux gazeux ; à mesure de son avancée dans la tuyère de compression/ refroidissement (C3), le gaz est comprimé avec élévation de sa température et éloignement de l'état de saturation précédent, ce qui permet la vaporisation supplémentaire de gouttelettes ; cet équilibre continu permet d'extraire de la chaleur du gaz à comprimer tout au long de la zone (C3) ou jusqu'à l'évaporation totale des gouttelettes injectées, et ceci en maintenant le gaz à comprimer 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 à son minimum, en fonction des dimensions des gouttelettes et des coefficients d'échange thermique et de diffusion gazeuse ; la variante 4 permet donc d'optimiser le cycle thermodynamique du dispositif en maintenant la source froide à la température minimale compatible avec le processus.
  • A titre d'exemple de réalisation, le dispositif représenté sur la figure 4 comporte les mêmes éléments et présente les mêmes performances que l'exemple de réalisation de la variante 3, à l'exception du remplacement du système de buses de pulvérisation par une buse axiale unique.
    • VARIANTE 5
  • Une variante 5, concernant un écoulement supersonique, découle des variantes 3 ou 4 et permet de régler à tout moment le débit du gaz à comprimer, le taux de compression, et le rendement énergétique du dispositif; dans cette variante, le convergent (C1) et le divergent (D1) des variantes 3 et 4 sont remplacées par une tuyère convergente suivie d'une tuyère divergente les deux à géométries variables, ce qui permet d'ajuster la section du col compris entre ces deux tuyères ; le système de géométrie variable, commandé depuis l'extérieur du dispositif, est obtenu par tout mécanisme permettant de modifier la section de passage du col compris entre (C1) et (D1) tels que ceux décrits dans les exemples ci-après.
  • Dans l'exemple de la figure 5, le système à géométrie variable est obtenu par remplacement de (C1) et (D1) par une tuyère convergente (CG) à géométrie variable, suivie d'une zone de transition optionnelle (NT1) puis d'une tuyère divergente (DG) à géométrie variable elle aussi, les trois à parois déformables de façon à modifier la section du col compris entre les deux tuyères ; le système de parois déformable peut être du même type que celui décrit au chapitre 2.1 et représenté sur la figure 2.1 par exemple .
  • Selon les conditions d'utilisation du dispositif, la tuyère (DG) peut être équipée d'un système de géométrie variable lui permettant aussi d'être légèrement convergente, afin de faciliter la mise en service du dispositif dans des conditions subsoniques .
  • La zone de transition (NT1) assure une liaison continue entre les extrémités de (CG) et (DG) avec une génératrice à pente monotone, et sans angle .
  • La vitesse du gaz à comprimer devant être sonique dans le premier col du dispositif et dans le second dans la mesure du possible, cette possibilité de modifier sa section permet de rendre indépendants l'un de l'autre la température et le débit du gaz à comprimer en sortie de la chambre d'admission, tout en respectant la contrainte d'écoulement sonique dans ce col ; ceci permet de modifier soit le débit du gaz à comprimer, soit sa température à l'entrée du premier col -et éventuellement le débit de liquide pulvérisé, ce qui entraîne une modification du taux de compression du dispositif et de son rendement - soit les deux simultanément.
  • Les autres éléments du dispositif sont identiques à ceux décrits dans les variantes 3 ou 4.
  • Dans l'exemple préférentielle de la figure 5.1, la tuyère divergente de détente supersonique (D1) des variantes 3 ou 4, est remplacée par un système réglable constitué d'une zone de transition optionnelle (NT') suivie d'un conduit (N2) légèrement divergent de préférence, avec adjonction d'un noyau profilé (K2) coulissant axialement dans le convergent de détente subsonique (C1), dans la zone de transition (NT'), et dans le conduit (N2) ; le noyau est fixé sur un arbre traversant par exemple l'une ou les deux extrémités du dispositif; la position axiale du noyau (K2) peut être réglée manuellement ou automatiquement à partir de l'extérieur du dispositif par un filetage disposé sur un palier, par un vérin externe, ou par tout autre système le permettant .
  • Le système de pulvérisation peut être logé dans la zone (NT), dans la zone (C3), ou en extrémité aval de (K"'2) : voir ci-après .
  • Le noyau (K2) est une pièce dont le profil aérodynamique permet de minimiser les pertes de charge du gaz à comprimer ; il est constitué d'une partie amont (K'2) de section constante ou 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 génératrice de (K'2) et celle de (K'"2).
  • La partie (K"'2) du noyau (K2) est logée dans le convergent de détente subsonique (C1), dans la zone de transition (NT'), et dans le conduit (N2) .
  • Selon l'application recherchée pour le dispositif et selon les températures du gaz à comprimer à l'entrée de la chambre de combustion (C), le noyau (K2) peut être réalisé en acier au carbone pour des températures inférieures à 300°, en acier inoxydable, en acier refroidi par circulation interne de fluide de refroidissement, en céramique, ou en tout autre matériau présentant une bonne tenue à l'abrasion et aux températures mises en oeuvre.
  • L'exemple de réalisation représenté sur la figure 5.1 montre un noyau (K2) supporté par un arbre qui le traverse axialement, reposant lui-même sur un palier placé dans la chambre d'admission incluant un filetage de réglage de position; dans cet exemple, une buse de pulvérisation unique est installée en extrémité aval de la partie (K"'2) du noyau (K2) .
  • Lors de l'écoulement du gaz à comprimer dans le convergent de détente (C1), l'espace libre compris entre (K'2) et (C1) constitue une tuyère convergente de détente subsonique qui assure le même rôle que la tuyère convergente de détente subsonique (C1) des variantes 4 ou 5, et l'espace libre compris entre (K"'2), (NT'), et (N2) constitue quand à lui une tuyère divergente de détente supersonique qui assure le même rôle que la tuyère (D1) des variantes 3 ou 4 ; le col, c'est à dire la section de passage minimale entre ces deux tuyères de la figure 5.1, est généralement situé entre la section maximale de (K2) et la section de sortie de (C1), et sa section S's peut être modifiée à tout moment à partir de l'extérieur par ajustement de la position axiale du noyau (K2).
  • Selon les conditions d'utilisation du dispositif, le conduit (N2) peut être légèrement convergent, afin de faciliter la mise en service du dispositif dans des conditions subsoniques .
  • A titre d'exemple de réalisation, un dispositif selon la figure 5.1 présente les mêmes performances que l'exemple de réalisation concernant la variante 4, avec les modifications suivantes permettant d'ajuster le débit et le taux de compression du gaz à comprimer :
    • Remplacement du divergent de détente supersonique (D1) par une zone de transition (NT') et un conduit divergent (N2), l'ensemble présentant un diamètre d'entrée voisin de 0,295 m, un diamètre de sortie voisin de 0,388 m, et une longueur de 0,2 m, l'air y étant détendu à 0,1 bar A ; la zone de transition (NT') et le divergent (N2) sont réalisés en acier au carbone à double enveloppe,
    • Rajout d'un noyau (K2) en acier inoxydable refroidi par circulation interne d'eau de diamètre maximum 0,293 m, de diamètre minimum 0,04 m à entrée de (K'2) et à la sortie de (K"'2), de longueur totale 0,9 m, supporté par un arbre de diamètre 40 mm reposant sur un palier installé en (C), avec filetage de réglage de sa position .
    • La buse de pulvérisation est identique à celle de l'exemple de réalisation de la variante 4, mais le tube coulissant permettant de l'alimenter en eau est logé dans l'arbre support du noyau (K2).
    VARIANTE 6
  • Une variante 6, concernant un écoulement supersonique, découle des variantes 3 ou 4 décrites ci-dessus et permet elle aussi de modifier à tout moment le taux de compression et/ou le rendement du dispositif, tout comme la variante 5; elle permet par ailleurs de supprimer ou de déplacer vers la sortie du dispositif les éventuelles ondes de pression ou ondes de choc pouvant dans certains cas se développer dans les zones (D1), (NT), ou (C3) des variantes 3 ou 4; le principe de cette variante est identique à celui de la variante 5, mais la géométrie variable concerne le second col du dispositif ; dans cette variante, les zones (C3), (C4), et (D) des variantes 3 et 4 sont remplacées par un système à géométrie variable commandé depuis l'extérieur du dispositif et permettant de modifier la section du col compris entre (C3) et (D) ; le système de géométrie variable est obtenu par tout mécanisme permettant de modifier la section de ce col, tels que ceux décrits dans les exemples ci-après.
  • Dans l'exemple de la figure 6, le système de géométrie variable est obtenu par remplacement de (C3), (C4), et (D) par une tuyère (CG1) à parois déformables pouvant être réglée pour être de préférence légèrement divergente lors de la mise en service du dispositif puis convergente par la suite, cette tuyère faisant alors office de tuyère convergente de détente/refroidissement (C3) et de tuyère convergente de compression adiabatique (C4); (GC1) est suivie d'une tuyère (DG1) divergente à parois déformables elle aussi, la tuyère (DG1) fait alors office de tuyère divergente de compression adiabatique (D). Le système de parois déformables peut être du même type que celui décrit au chapitre 2.1 et représenté sur la figure 2.1 par exemple .
  • La vitesse du gaz à comprimer devant de préférence être sonique dans le second col du dispositif, cette possibilité de modifier sa section permet de rendre indépendants l'un de l'autre la température, la pression, et le débit du gaz comprimé en sortie du convergent de détente adiabatique, tout en respectant la contrainte d'écoulement sonique dans ce col ; ceci permet de modifier soit le débit du gaz à comprimer soit sa température à l'entrée du second col -par modification de la température dans (C) ou par modification du débit de liquide pulvérisé, ce qui entraine une modification du taux de compression du dispositif et de son rendement - soit les deux simultanément.
  • Enfin, lors de la mise en service du dispositif, la première tuyère à géométrie variable est maintenue dans une position légèrement divergente, jusqu'à ce que le taux de compression du dispositif soit suffisamment élevé pour que l'onde de pression pouvant se développer dans (D1) se soit déplacée dans la seconde tuyère divergente (DG); après cette évacuation de l'onde de pression, les deux tuyères à géométrie variable peuvent prendre progressivement leur position de service, l'onde de pression s'éloignant vers la sortie du dispositif à mesure que les deux tuyères à géométrie variable se rapprochent de leur position de service .
  • Les autres éléments du dispositif sont identiques à ceux décrits dans les variantes 3 ou 4.
  • 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, avec un diamètre d'entrée légèrement supérieur à celui de (D1) de préférence, à l'intérieur duquel peut coulisser axialement un noyau profilé (K3) fixé sur un arbre traversant par exemple une ou les deux extrémités du dispositif et permettant de régler la position de (K3); la position du noyau (K3) peut être réglée manuellement ou automatiquement à partir de l'extérieur du dispositif par un filetage disposé sur un palier, par un vérin, ou par tout autre système externe le permettant.
  • La buse de pulvérisation est logée dans la zone (NT) ou (N3).
  • Dans un concept plus simplifié, le conduit divergent (D) et éventuellement la chambre de tranquillisation (T) peuvent être simplement constitués par un prolongement du conduit faiblement divergent (N3).
  • Les autres éléments du dispositif sont identiques à ceux décrits dans les variantes 3 ou 4.
  • Le noyau (K3) est une pièce dont le profil aérodynamique permet de minimiser les pertes de charge du gaz à comprimer; il est constitué d'une partie amont (K'3) de section croissante dans le sens d'écoulement du gaz, d'une partie aval (K"'3) de section constante ou décroissante dans le sens d'écoulement du gaz, et d'une partie intermédiaire (K"3) dont la génératrice continue, sans angle, assure le lien entre la génératrice de (K'3) et celle de (K"'3) .
  • La partie (K'3) du noyau (K3) est logée dans le conduit (N3) .
  • Selon l'application recherchée pour le dispositif et selon les températures du gaz à comprimer en sortie du divergent de détente supersonique (D1), le noyau (K3) peut être réalisé en acier au carbone pour des températures inférieures à 300°, en acier inoxydable, en acier refroidi par circulation interne de fluide de refroidissement, en céramique, ou en tout autre matériau présentant une bonne tenue à l'abrasion et aux températures mises en oeuvre.
  • L'exemple de réalisation représenté sur la figure 6.1 montre un arbre traversant le noyau (K3) de part en part et reposant sur des paliers placés dans la chambre d'admission et dans la chambre de tranquillisation, ce dernier incluant un moteur de réglage de position ;la buse de pulvérisation est placée en extrémité d'un tube coulissant sur l'arbre.
  • Lors de l'écoulement du gaz à comprimer dans le conduit (N3), l'espace libre compris entre (K'3) et le conduit (N3) constitue une tuyère convergente qui assure le même rôle que la tuyère convergente de compression/ refroidissement (C3) et la tuyère convergente de compression adiabatique supersonique (C4) des variantes 3 ou 4, et l'espace libre compris entre (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'est à dire la section de passage minimale entre de ces deux tuyères, est en général situé entre la sortie du conduit (N3) et le diamètre maximum de (K"3), et sa section Ss peut être modifiée à tout moment à partir de l'extérieur par ajustement de la position axiale du noyau (K3) ; cet ajustement de la section au col permet :
    • Lors de la mise en service : de retirer entièrement le noyau (K3) du conduit (N3) de façon à 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 surpression ainsi que le diamètre maximum de (K3) sont sélectionnés de façon à ce que, lorsque le noyau (K3) est introduit progressivement dans le conduit (N3), la zone où se trouve l'onde de pression reste toujours divergente et que l'onde de pression y stationne jusqu'à ce que (K3) trouve sa place définitive dans (N3).
    • En cours de fonctionnement normal : de rendre indépendants l'un de l'autre la température, la pression, et le débit du gaz à comprimer en sortie du second col, ce qui confère au dispositif les mêmes avantages que ceux de l'exemple de la figure 6: possibilité de réglage du 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 suivantes permettant d'ajuster le débit et le taux de compression du gaz à 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 réalisé en acier au carbone à 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 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 à entrée de (K'3) et à la sortie de (K"'3), de longueur totale 1,2 m, supporté par un arbre de diamètre 40 mm reposant sur un palier installé en (T) avec filetage de réglage de sa position, et sur un second palier installé en extrémité de (C),
    • La buse de pulvérisation est identique à celle de l'exemple de réalisation de la variante 4, mais le tube coulissant permettant de l'alimenter en eau est logé dans l'arbre support du noyau (K3).
    VARIANTE 7
  • Une variante 7, concernant un écoulement supersonique, résulte de l'application simultanée des variantes 5 et 6 sur un même dispositif, et permet de régler depuis l'extérieur indépendamment l'une de l'autre et à tout moment les sections des deux cols du dispositif, et donc de modifier le débit de gaz à comprimer, le taux de compression du dispositif, et son rendement énergétique, tout en permettant elle aussi de supprimer ou de déplacer vers sa sortie les éventuelles ondes de pression ou ondes de choc pouvant dans certains cas se développer dans les divergents supersoniques des variantes 3, 4, ou 5 ; dans cette variante, les zones (C3), (C4), et (D) de la variante 5, sont remplacées comme pour la variante 6 par une tuyère à géométrie variable pouvant être réglée pour être légèrement divergente lors de la mise en service du dispositif puis convergente par la suite, suivie d'une tuyère divergente à géométrie variable ; le diamètre du col entre les deux tuyères peut s'adapter en permanence au diamètre du premier col du dispositif, c'est à dire au-débit et aux conditions physiques du gaz à comprimer à l'admission, ainsi qu'aux conditions physiques en sortie du dispositif, c'est à dire au débit de liquide pulvérisé, donc au taux de compression et au rendement du dispositif.
  • Les autres éléments du dispositif sont identiques à ceux décrits dans les variantes 5 cette variante présente donc les avantages combinés des variantes 5 et 6 .
  • Dans l'exemple de la figure 7, les systèmes de géométrie variable sont obtenus par l'utilisation de tuyères à parois déformables du même type que celui décrit au chapitre 2.1 et représenté sur la figure 2.1 par exemple .
  • Dans l'exemple préférentielle de la figure 7.1, la tuyère convergente de compression/refroidissement (C3) et la tuyère convergente de compression supersonique adiabatique (C4) de la figure 5.1 sont remplacées par un conduit (N3) de préférence légèrement divergent, avec un diamètre d'entrée légèrement supérieur à celui de (D1) de préférence, à l'intérieur duquel peut coulisser axialement un noyau (K3) dont l'axe est fixé sur un arbre traversant par exemple l'une ou les deux extrémités du dispositif ; la position axiale du noyau (K3) peut être réglée manuellement ou automatiquement à partir de l'extérieur du dispositif par un filetage disposé sur un palier, par un vérin externe, ou par tout autre système externe le permettant.
  • Dans un concept plus simplifié, les zones (N2), (NT), (N3), (D) et (T) peuvent être regroupés en un seul conduit de section légèrement divergente .
  • Le noyau (K3) est une pièce de révolution pleine dont le profil aérodynamique permet de minimiser les pertes de charge du gaz à comprimer; il est constitué d'une partie amont (K'3) de section croissante dans le sens d'écoulement du gaz, d'une partie aval (K"'3) de section constante ou décroissante dans le sens d'écoulement du gaz, et d'une partie intermédiaire (K"3) dont la génératrice continue, sans angle, assure le lien entre la génératrice de (K'3) et celle de (K'"3).
  • La partie (K'3) du noyau (K3) est logée dans le conduit (N3).
  • La buse de pulvérisation est logée dans l'une des zones (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 à ceux de la variante 5 .
  • Selon l'application recherchée pour le dispositif et selon les températures du gaz à comprimer en sortie du divergent de détente supersonique (D1), le noyau (K3) peut être réalisé en acier au carbone pour des températures inférieures à 300°, en acier inoxydable, en acier refroidi par circulation interne de fluide de refroidissement, en céramique, ou en tout autre matériau présentant une bonne tenue à l'abrasion et aux températures mises en oeuvre.
  • L'exemple de réalisation représenté sur la figure 7.1 montre un arbre traversant de part en part le noyau (K2) et le noyau (K3), et reposant sur des paliers placés dans la chambre de combustion et dans la chambre de tranquillisation ; chaque palier inclut un moteur permettant de régler la 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), (C1 ), (NT'), et (N2) comporte un premier col de section S's réglable à partir de l'extérieur par ajustement de la position axiale du noyau (K2).
  • 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 à partir de l'extérieur par ajustement de la position axiale du noyau (K3) .
  • Ces possibilités d'ajustement de la section de chaque col confèrent à l'exemple de la figure 7.1 les avantages combinés des exemples des figures 5.1 et 6.1 décrits ci-dessus .
  • 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 à 2,5 bar A, et permettant d'ajuster le débit et le taux de compression du gaz à comprimer, peut être obtenu en apportant les modifications suivantes à l'exemple de réalisation de la variante 5 :
    • Remplacement de (NT') et (N2) par une tuyère divergente de même diamètre d'entrée mais de longueur 1,5 m et de diamètre de sortie voisin de 1,034 m, permettant de détendre l'air à 0,004 bar A.
    • Remplacement des tuyères convergentes (C3) et (C4) par un conduit (N3), présentant un diamètre d'entrée voisin de 1,034 m, un diamètre de sortie voisin de 1,036 m, et une longueur de 2,07 m ; le conduit (N3) est réalisé en acier au carbone à double enveloppe,
    • Remplacement du divergent (D) de diamètre d'entrée 0,209 m par un divergent (D) de même conception mais de diamètre d'entrée égal à 1,036 m, de diamètre de sortie égal à 1,176 m, et de longueur 2,0 m ,
    • Remplacement de la chambre (T) par une chambré 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 à entrée de (K'3) et à la sortie de (K"'3), de longueur totale 3,1 m, supporté par un arbre de diamètre 60 mm reposant sur un palier installé en (T) avec filetage de réglage de sa position, sur un second palier installé en (C), et sur un troisième palier intermédiaire ,
    • La buse de pulvérisation est de conception identique à celle de l'exemple de réalisation de la variante 4, mais le débit d'eau pulvérisée est réduit à 1,0 kg par seconde et la buse est alimentée par un tube coulissant logé 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 à 7 décrites ci-dessus, est représentée sur la figure 8 ; elle consiste à utiliser comme fluide d'assistance à la pulvérisation une partie du gaz comprimé généré par le dispositif, ou de la vapeur générée par récupération de chaleur sur le gaz comprimé en aval de la chambre de tranquillisation . Cette variante permet de réduire la dimension des gouttelettes de liquide pulvérisé et d'accroître leur vitesse initiale sans apport supplémentaire d'énergie mécanique 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 équipé d'une assistance à la pulvérisation à partir d'air comprimé prélevé en sortie du dispositif.
  • A 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 à 2,5 bar A, et permettant d'ajuster le débit et le taux de compression du gaz à comprimer, peut être obtenu en apportant les modifications suivantes à l'exemple de réalisation de la variante 7 :
    • Le diamètre de sortie de (C1) devient 0,322 m
    • Remplacement de (NT') et (N2) par une tuyère divergente de même conception mais de diamètre d'entrée 0,322 m, de diamètre de sortie 1,042 m, et de longueur 1,439 m permettant de détendre l'air à 0,004 bar A
    • Remplacement du conduit (N3) par un nouveau conduit de même conception mais de diamètre d'entrée voisin de 1,042 m, de diamètre de sortie voisin de 1,044 m, et de longueur de 2,086 m,
    • La pulvérisation est assistée par l'utilisation de 0,26 kg/seconde de mélange « air comprimé-vapeur » prélevé en sortie du dispositif,
    • Le débit d'eau pulvérisée est réduit à 0,61 kg/seconde
    • Remplacement du noyau (K3) par un nouveau noyau de diamètre maximum 1043 mm, de diamètres minimums 137 mm en extrémités de (K'3) et (K"'3), et de longueur 3,1 m, supporté par un arbre de diamètre 140 mm à l'intérieur duquel circulent l'eau de pulvérisation et l'air d'assistance à la pulvérisation.
    VARIANTE 9
  • Une variante 9, concernant les buses de pulvérisation de l'option de base 1 ou des variantes 2 à 8 décrites ci-dessus, est représentée sur la figure 9 ; elle consiste à réchauffer le liquide utilisé dans les buses de pulvérisation avant son introduction dans les buses, par utilisation de la chaleur récupérée sur le gaz comprimé en aval de la chambre de tranquillisation (T), la récupération pouvant aller éventuellement jusqu'à la condensation de la vapeur de liquide pulvérisé; lors de la détente du liquide à pulvériser, cette surchauffe permet de réduire la dimension des gouttelettes et d'accroître leur vitesse initiale en minimisant l'apport d'énergie mécanique externe, et donc d'améliorer le rendement énergétique du dispositif.
  • Si nécessaire, à défaut ou en complément de cette chaleur récupérée en aval de la chambre de tranquillisation, toute autre source de chaleur interne au dispositif, telle que chaleur récupérée dans les doubles enveloppes,..ou de chaleur externe au dispositif, peut être utilisée.
  • L'exemple de la figure 9 concerne le même type d'installation que celui de la figure 8, dans lequel le liquide à pulvériser est au préalable réchauffé dans un échangeur thermique installé sur la ligne d'évacuation du gaz comprimé.
  • A titre d'exemple de réalisation, un dispositif selon la figure 9 présentant les mêmes dimensions et les mêmes performances que l'exemple de réalisation de la variante 8, avec en sus une température de sortie de l'air comprimé augmentée de 20 °C, peut être obtenu en rajoutant sur la ligne d'évacuation un échangeur thermique (E'1) permettant de préchauffer à 40 °C l'eau de pulvérisation.
    • VARIANTE 10
  • Une variante 10 concerne l'installation en parallèle ou en série de plusieurs des dispositifs décrits dans l'option de base 1 et les variantes 2 à 9 afin d'en faciliter la réalisation, d'atteindre des taux de compression ne pouvant pas être atteints par un dispositif unique, d'améliorer le rendement global de l'installation, ou encore de faciliter la mise en service de l'installation ; les dispositifs peuvent être distincts les uns des autres comme dans l'exemple de la figure 10 décrit ci-après, ou imbriqués l'un dans l'autre comme dans l'exemple de la figure 10.1 qui concerne deux dispositifs installés en parallèle dans une même enveloppe, ou comme dans les exemples des figures 10.2, 10.3, et 10.4 où deux dispositifs selon les revendications 2 et 9 sont installés en série et imbriqués l'un dans l'autre avec ligne d'aspiration, chambre d'admission (C), convergents (C1) et (C2), et noyau d'entrée commun faisant office de noyau (K) pour le premier dispositif subsonique et de noyau (K2) pour le second dispositif supersonique . L'exemple de la figure 10 permet la mise en service d'un dispositif de compression d'air supersonique à taux de compression élevé, à l'aide d'un compresseur de démarrage peu performant. Il est constitué de deux dispositifs distincts installés en série : un premier dispositif sonique selon la figure 2.3 avec noyau amont permettant un réglage de débit d'air et dont la ligne d'aspiration inclut un filtre, un silencieux, un compresseur, et un brûleur au fioul, suivi par un dispositif aval supersonique selon la figure 9 avec noyaux amont et aval dont la ligne d'aspiration inclut un échangeur de réchauffage d'air à l'aide d'un fluide thermique ; la ligne d'évacuation du dispositif aval inclut un échangeur de récupération permettant de réchauffer le fluide thermique suivi d'un second échangeur de récupération permettant de réchauffer l'eau de pulvérisation.
  • Le premier dispositif amont n'est utilisé que lors de la mise en service de l'installation, pour assurer une surpression suffisante pour permettre le démarrage du second dispositif, après quoi le premier est arrêté .
  • Le second dispositif aval selon la figure 9, utilisé en marche normale et devant donc être performant, inclut en sus un récupérateur de chaleur permettant de réchauffer l'air à l'admission, un second récupérateur permettant de réchauffer l'eau de pulvérisation, et une assistance à la pulvérisation par utilisation d'air comprimé prélevé en sortie de l'installation.
  • L'exemple de la figure 10.1 permet la réalisation d'un compresseur de très grande capacité par l'utilisation en parallèle de deux dispositifs identiques à celui représenté sur la figure 8 ; les deux dispositifs installés en parallèle sont imbriqués l'un dans l'autre, les noyaux de chacun d'entre eux étant installés dans une enveloppe commune ; cette disposition permet de réduire les 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 les deux dispositifs sont imbriqués ; il est constitué d'un dispositif supersonique selon la figure 9 dans lequel les conduits (N2), (NT), (N3), et (D) sont regroupés en un seul conduit faiblement divergent, et dans lequel la zone (C1) peut jouer le rôle des zones (C1) et (C2) du dispositif sonique représenté sur la figure 2.3 ; le noyau (K2) du dispositif supersonique comporte des buses de pulvérisation réparties tout au long de son axe, et peut jouer le rôle du noyau (K1) du dispositif sonique représenté sur la figure 2.3.
  • Lors de la mise en service de l'installation, le noyau (K3) est entièrement retiré dans la chambre de tranquillisation (T) ; le compresseur, le brûleur, et les buses de pulvérisation du noyau (K1) sont mis en service, et la partie amont du dispositif est seule utilisée, comme une installation sonique ; lorsque la pression en aval de (C2) est suffisamment élevée, le compresseur est arrêté, la partie supersonique aval du dispositif est elle aussi mise en service et, lorsque la pression dans la chambre de tranquillisation est suffisamment élevée, les buses de pulvérisation du noyau (K1), c'est à 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 effectués par ajustement du brûleur, du débit de liquide pulvérisé, et des positions de (K2) et (K3).
  • L'exemple de la figure 10.3 est lui aussi une version simplifiée d'un dispositif sonique imbriqué dans un dispositif supersonique pour en faciliter la mise en service ; il est constitué d'un dispositif supersonique selon la figure 7 avec tuyères à géométrie variable par parois déformables dans lequel le convergent (CG) du dispositif supersonique peut jouer le rôle des convergents (C1) et (C2) du dispositif sonique représenté sur la figure 2.3 ; le convergent (CG) du dispositif supersonique comporte en sus des buses de pulvérisation (R) réparties tout au long de son axe, qui jouent le même rôle que les buses de pulvérisation réparties dans la zone (C2) du dispositif sonique.
  • Lors de la mise en service de l'installation, le conduit (CG1) est mis en position de démarrage , légèrement divergent; le compresseur, le brûleur, et les buses de pulvérisation du dispositif sonique sont mis en service, et la partie amont du dispositif est seule utilisée, comme une installation sonique ; lorsque la pression en aval de (C2) est suffisamment élevée, le compresseur est arrêté, la partie supersonique aval du dispositif est elle aussi mise en service et, lorsque la pression dans la chambre de tranquillisation est suffisamment élevée, les buses de pulvérisation du dispositif sonique sont elles aussi arrêtées progressivement ; l'ensemble de l'installation fonctionne alors comme un dispositif supersonique seul, et les réglages de débit, taux de compression, et rendement de l'installation peuvent être effectués par ajustement du brûleur, du débit de liquide pulvérisé, et des sections de chacun des deux cols du dispositif. L'exemple de la figure 10.4 permet, de façon très simplifiée, d'obtenir le même résultat que les exemples des figures 10 et 10.2, c'est à dire qu'il permet la mise en service d'un dispositif de compression d'air supersonique à taux de compression élevé, à l'aide d'un compresseur de démarrage peu performant ; il est constitué d'un dispositif supersonique selon la figure 8 et d'un dispositif sonique selon la figure 2.4 installés en série et imbriqués l'un dans l'autre.
  • Dans cette installation, les conduits (NT'), (N2), (NT), et (N3) sont regroupés en un seul conduit faiblement convergent, et le noyau (K3) et la buse de pulvérisation (R) du dispositif supersonique sont aussi utilisés comme noyau (K1) et comme buse (R) du dispositif sonique lorsque ce dernier est utilisé.
  • Lors de la mise en service de l'installation, le dispositif sonique est seul utilisé, le noyau (K2), étant alors entièrement retiré dans (C), jusqu'à l'obtention d'un gain de pression suffisant pour permettre la mise en service du dispositif supersonique, c'est à dire pour permettre l'introduction de (K2) dans (C1) afin de créer un divergent).
  • A titre d'exemple de réalisation, un dispositif selon la figure 10.2 permettant de comprimer près de 20 000 Nm3 d'air de 1 bar A à 2,5 bar A, et permettant d'ajuster le débit et le taux de compression du gaz à comprimer, peut être obtenu avec un compresseur de démarrage développant une surpression de 100 mbar seulement, en apportant les modifications suivantes à l'exemple de réalisation de la variante 8 :
    • Le convergent (C1) est remplacé par un convergent de même conception, remplissant le rôle de (C1) vis-à-vis du fonctionnement supersonique et de (C1) + (C2) vis-à-vis du fonctionnement sonique , de mêmes diamètres d'entrée et de sortie, mais de longueur 1,5 m ,
    • Remplacement du noyau d'entrée (K2) par un nouveau noyau remplissant le rôle de (K2) vis-à-vis du fonctionnement supersonique et de (K) vis-à-vis du fonctionnement sonique, de mêmes diamètres mais de longueur totale 1,3 m ; sa partie aval (K"'), qui coulisse dans (C1), comporte sur son pourtour les buses de pulvérisation nécessaires au fonctionnement sonique. ..
    APPLICATIONS INDUSTRIELLE de L'INVENTION
  • Le dispositif selon l'invention trouve ses applications dans les procédés industriels mettant en oeuvre des gaz comprimés, de l'air comprimé, ou de la vapeur d'eau, avec un intérêt tout particulier en ce qui concerne les centrales thermo-électriques: voir exemples 5, 6, 7, 8,et 9 ci-dessous; il permet par exemple de réaliser les installations suivantes avec des coûts d'équipement, des coûts de maintenance, et des rendements énergétiques compétitifs :
    • 1-Installations de production d'air ou de gaz comprimés destinées à satisfaire des besoins industriels et permettant de générer des débits très importants, de 1000 Nm3/h à plusieurs millions de Nm3/h, à des pressions comprises entre 1,5 barA et 20 barA, voir au-delà.
    • 2-Systèmes de vide mettant en oeuvre des débits d'air ou de gaz importants pour satisfaire des besoins de procédés industriels, des besoins de bancs d'essais thermodynamiques tels que bancs Aéronautiques, Climatiques, ..., etc.
    • 3-Utilisation de la chaleur résiduelle des fumées dans des chaudières de puissance pour réaliser le vide partiel de leurs chambres de combustion, ce qui évite l'utilisation permanente des ventilateurs de tirage et permet d'économiser plusieurs centaines ou milliers de kW d'énergie électrique.
    • 4- recompression mécanique de vapeur à basse pression telle que de la vapeur d'eau par exemple, le liquide injecté étant alors de l'eau, pour obtenir de la vapeur à plus haute pression ; dans cet exemple, la ligne d'aspiration comporte si nécessaire un échangeur thermique permettant de surchauffer la vapeur basse pression .
    • 5-Centrales thermo-électriques à vapeur dans lesquelles les chaudières à vapeur haute pression seraient remplacées par le même dispositif que celui décrit dans l'exemple précédent ; dans de telles centrales, la vapeur recomprimée est surchauffée puis détendue à travers des turbines avant d'être retournée à l'entrée du dispositif, les condenseurs de vapeur n'étant plus nécessaires que pour condenser à basse température un débit de vapeur égal au débit d'eau injectée dans le dispositif. Dans de telles centrales, la source chaude du cycle thermodynamique, voisine de 500 à 700 °C, est bien supérieure à celle des centrales classiques : 250 °C à 310 °C, correspondant à l'ébullition de la vapeur de 40 à 100 bar; elle permet donc des rendements énergétiques nettement plus élevés, pouvant dépasser 45% .
    • 6-Centrales thermo-électriques à turbines à gaz, dans lesquelles un dispositif selon la figure 9 par exemple mais sans brûleur, installé sur le circuit des fumées en aval de la turbine, utilise la chaleur latente des fumées pour recomprimer une partie des fumées avant de les réinjecter en aval du compresseur de la turbine à gaz, permettant de réduire en conséquence le débit et donc la puissance consommée par ce compresseur ; un tel cycle permet par exemple de porter de 27% à près de 45% le rendement d'une turbine à gaz, moyennant bien entendu les adaptations appropriées.
    • 7-Centrales thermo-électriques à turbines à gaz, dans lesquelles un dispositif selon la figure 9 par exemple mais sans brûleur, installé 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 à gaz ; un tel cycle permet lui aussi de porter de 27% à près de 45% le rendement d'une turbine à gaz, moyennant bien entendu les adaptations correspondantes de la turbine.
    • 8-Centrales thermo-électriques utilisant le cycle de compression du dispositif, et constituées par exemple du dispositif selon la figure 10.1 avec en sus une turbine à air (TB) installée en aval du brûleur de la ligne d'aspiration et des turbines air-vapeur installées sur la ligne d'évacuation ; un tel cycle permet d'atteindre des rendements supérieurs à 56%, en tenant compte des diverses pertes du système : déperditions thermiques, pertes de charge du dispositif, pertes par frottement, rendement isentropique de la turbine, etc...
    • 9- Centrales thermo-électriques utilisant le cycle de compression du dispositif, et constituées par exemple du dispositif selon la figure 10.1 sans brûleur (B) sur la ligne d'aspiration, mais avec un brûleur et une turbine air-vapeur installés sur la ligne d'évacuation en amont de l'échangeur (E'1) ; un tel cycle permet d'atteindre des rendements supérieurs à 60%, en tenant compte des diverses pertes du système : déperditions thermiques, pertes de charge du dispositif, pertes par frottement, rendement isentropique de la turbine, etc...

Claims (10)

  1. Dispositif pour comprimer de l'air ou un gaz quelconque caractérisé en ce qu'il comporte des éléments destinés à pré-traiter le gaz à comprimer et à lui fournir de l'énergie thermique si sa température n'est pas assez élevée, des éléments destinés à détendre ce dernier à une vitesse sonique à travers une tuyère de détente, à effectuer un prélèvement de chaleur à haute vitesse et basse température par pulvérisation et évaporation contrôlée de liquide répartie dans une tuyère de détente-refroidissement et enfin des éléments destinés à recomprimer ce gaz dans une tuyère de compression adiabatique afin de ramener sa vitesse à une valeur d'écoulement subsonique ; le dispositif est constitué dans l'ordre :
    - d' une Ligne d'Aspiration incluant les équipements destinés à réchauffer le gaz à comprimer
    - d'une Chambre d'Admission (C),
    - d'un Convergent de Détente (C1) permettant d'accroître sa vitesse jusqu'à la vitesse sonique,
    - d' une Zone de Transition (N),
    - d' une Tuyère Convergente de Détente/Refroidissement (C2),
    - d'un Système de Refroidissement (R) constitué d'un ensemble de buses de pulvérisation de liquide, de débit et de position réglables à partir de l'extérieur du dispositif, et réparties le long des zones (N) et (C2), et permettant de maintenir une vitesse optimale sonique ou subsonique tout au long de l'axe de (C2).
    - d'un Divergent de Compression Adiabatique (D) destiné à comprimer le gaz en réduisant sa vitesse jusqu'à une vitesse d'écoulement normale subsonique,
    - d'une Chambre de Tranquillisation (T)
    - d'une Ligne d'Evacuation incluant des équipements annexes
  2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la Tuyère de détente/ refroidissement (C2) et le divergent de compression adiabatique (D) sont réalisés par une tuyère convergente et une tuyère divergente les deux à géométrie 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 géométrie variable, commandé depuis l'extérieur du dispositif, est obtenu par tout mécanisme permettant de modifier la section de passage du col du dispositif, tel que l'utilisation de parois déformables sur les tuyères (C2) et (D), ou l'adjonction d'un noyau profilé (K) ou (K1) pouvant coulisser axialement dans les zones (N), (C2), et (D), ce noyau étant lui-même fixé sur un arbre traversant une ou les deux extrémités du dispositif et permettant de régler la position du noyau depuis l'extérieur.
  3. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par l'obtention d'un écoulement supersonique dans la zone de refroidissement en utilisant le convergent de détente (C1) pour détendre le gaz à comprimer jusqu'à la vitesse sonique, et en remplaçant la zone de transition (N) et la tuyère convergente de détente/ refroidissement (C2) par une tuyère divergente de détente supersonique (D1), suivie d'une zone de transition (NT), d'une tuyère convergente de compression/ refroidissement (C3), et d'une tuyère convergente de compression adiabatique (C4) le système de buses de pulvérisation (R) étant installé dans la zone (C3) et éventuellement dans les zones (D1) et/ou (NT).
  4. Dispositif selon la revendication 3 caractérisé par le remplacement du système de buses de pulvérisation réparties le long de l'axe du dispositif par une buse axiale unique ou par des buses radiales, placée à l'entrée de la zone (C3) ou dans la zone de transition (NT), le débit et la position axiale de ces buses pouvant être réglés manuellement ou automatiquement à partir de l'extérieur du dispositif.
  5. Dispositif selon les revendications 3 ou 4 caractérisé en ce que le convergent (C1) et le divergent (D1) sont réalisés par une tuyère convergente suivie d'une tuyère divergente les deux à géométrie variable, ce qui permet d'ajuster la section du col compris entre ces deux tuyères, le système de géométrie variable, commandé depuis l'extérieur du dispositif, étant obtenu par tout mécanisme permettant de modifier la section de passage du col compris entre (C1) et (D1).
  6. Dispositif selon les revendications 3, u 4, caractérisé en ce que les zones (C3), (C4), et (D) sont réalisées par un système à géométrie variable commandé depuis l'extérieur du dispositif et permettant de modifier la section du col compris entre (C3) et (D), le système de géométrie variable étant obtenu par tout mécanisme permettant de modifier la section de ce col.
  7. Dispositif selon les revendications 5 et 6, caractérisé par l'application simultanée des 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 du gaz comprimé généré par le dispositif, ou de la vapeur générée par récupération de chaleur sur le gaz comprimé en aval de la chambre de tranquillisation .
  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, à défaut ou en complément de cette chaleur récupérée, par toute autre source de chaleur.
  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.
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