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 t'énergie thermique ; ce compresseur ne comporte aucune partie mobile soumise à usure, et les pertes d'énergie dues aux frottements ainsi que t'excèdent de chaleur de la source froide du cycle peuvent tre récupérés pour tre 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.

Les compresseurs classiques sont traditionnellement constitués de dispositifs dans lesquels t'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 (éjecteurs) ; de tels compresseurs nécessitent un entretien important du fait des frottements mécaniques et des usures qui en résultent, et présentent des rendements énergétiques faibles (voir très faibles pour les éjecteurs), dus essentiellement : -Aux multiples conversions d'énergie dans les équipements utilisés : Moteurs thermiques ou Turbines pour convertir de t'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 t'énergie mécanique au gaz à comprimer, -Aux températures relativement basses utilisées lors de la première transformation de 1'énergie thermique en énergie mécanique, -Au réchauffement du gaz à comprimer lors de sa compression (ce qui l'éloigne inéluctablement d'une compression adiabatique), -Aux frottements mécaniques et aux pertes d'énergie cinétique du gaz à comprimer,

-A la non-récupération, dans le cycle total, des énergies thermiques provenant de la compression, des pertes par frottement, et de la source froide du moteur ou de la turbine, -Aux usures mécaniques, -Aux dépots et encrassements sur les compresseurs d'air, que mme des lavages fréquents (cas des compresseurs des turbines à gaz) ne peuvent qu'atténuer.

Le dispositif selon l'invention permet de remédier à la plupart de ces inconvénients par l'utilisation d'un cycle différent, consistant à retraiter le gaz à comprimer et à lui fournir directement de l'énergie thermique si sa température n'est pas assez élevée, à détendre ce dernier à une vitesse subsonique, 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 tuyere 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 tre 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 mme. la chaleur excédentaire de la source froide est évacuée par t'évaporation du liquide pulvérisé, ce qui augmente d'autant le débit de gaz comprimé en sortie du dispositif ; cette augmentation du débit, qui peut tre 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 Les ondes de choc ou de compression pouvant éventuellement se développer dans la partie supersonique de l'écoulement peuvent etre 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 si nécessaire, une chambre d'admission « C » optionnelle destinée à tranquilliser le flux gazeux avant son admission dans un convergent de détente « Cl)) permettant d'accroître sa vitesse jusqu à la vitesse sonique éventuellement, une zone de transition « N » optionnelle, une tuyère convergente de Détente/Refroidissement « C2 », un système de refroidissement « R » 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 de 1'air (ou du gaz à comprimer) par évaporation du liquide injecte, 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 » (Optionnelle) et son refoulement dans une conduite d'évacuation.

La zone de transition « assure une liaison continue liaison tes extrémités entre « C 1 » et « C2 » avec une génératrice à pente monotone, et sans angle.

Selon le besoin auquel est destiné le gaz à comprimer, l'aspiration peut tre équipée des éléments optionnels supplémentaires suivants : Filtre d'aspiration « Silencieux « S », Compresseur primaire « CP » destiné à la mise en service du dispositif ou à une pré-compression du gaz a comprimer, Echangeurs thermiques « El », « E2 »,..., « En » (utilisant, directement ou à l'aide d'un fluide intermédiaire, la chaleur résiduelle contenue dans le gaz comprimé en sortie du dispositif, ou toute autre source de chaleur disponible par ailleurs) et Brûleur « B » (alimenté en combustible) destinés à rechauffer le gaz à comprimer si sa température n'est pas suffisamment élevée à t'entrée du dispositif, et enfin Turbine de détente « (TB » destinée à transformer éventuellement l'énergie de compression en énergie mécanique.

De mme, selon le contexte d'utilisation du dispositif, la conduite d'évacuation peut tre équipée d'éléments optionnels tels que : Systèmes de recyclage des gaz chauds, Echangeurs « E'1 », « E'2 »,.., « E'n » permettant de récupérer la chaleur résiduelle contenue dans le gaz comprime du dispositif. Silencieux « S' » ; ces équipements peuvent n'tre alimentés que par une partie du gaz comprimé, et peuvent tre 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'a plus de 1 500°C Lors de son écoulement dans la tuyère convergente de Détente/Refroidissement « C2 », le gaz est a 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) qui atténue ou supprime la tendance à l'accroissement de vitesse due au convergent : la repartition de la pulvérisation et de t'évaporation le long de la zone neutre « N » et de la tuvere (< C2 » permet de réaliser i'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 1'axe de « C2 ».

A cet effet, le systeme de refroidissement « permet d'ajuster ta répartition permet refroidissement le long de 1'axe de « C2 » par tout moyen permettant le réglage du débit et/ou de la position de chaque buse. un exemple de réalisation, représente sur la figure 1. 1, montre des buses disposees

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 I'aide de vannes externes) ; un second exemple de réalisation préférentielle. représente sur ta figure t. 2, montre des buses de pulvérisation réparties le long de I'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 a 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 tre 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 1'air comprimé ou à la vapeur, et éventuellement à ultra-sons ou à micro-ondes.

Pour des températures de gaz à t'entrée de « C » inférieures à 300°C, les parties « C », « Cl ».

« N », « C2 », « D », et « T » peuvent tre 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 tre réalisées en acier au carbone revtu intérieurement de calorifuge ou de réfractaire, en acier au carbone ou inoxydable avec double enveloppe (refroidie à l'eau ou au gaz à comprimer, ces derniers pouvant tre réutilisés dans le dispositif), 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 I permet de comprimer de 1 bar A a 2,5 bar A près de 30.000 Nm3/heure d'air, à partir des éléments : -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 revtement 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, de longueur et de diamètre voisin de diamètre voisin de -Un convergent de détente cylindrique « C 1 » de longueur 0,6 m et de diamètre de sortie 0,6 m -Une zone de transition « N » cylindrique de diamètre 0, diamètre 0, et de longueur 0, longueur 0, -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 est réalisée au carbone revtu intérieurement carbone béton réfractaire, tandis que « CI », « 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 um 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 zone « C2 » (Tuyère de détente/ refroidissement) et la zone « D » (divergent (divergent compression adiabatique) adiabatique) 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 1'exemple de la figure 2.1, ou l'adjonction d'un noyau profilé « ou « Kl » 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 >) la chambre de tranquillisation ; des colliers des serrage circulaires ou tout autre système (vérins, etc..) permettent de modifier la section centrale du dispositif, qui constitue alors le col des zones « C2 » et « ».

Les autres éléments du dispositif sont identiques à ceux décrits dans la version de base t L'exemple de réalisation représenté sur la figure 2.1 présente les mmes 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 par exemple l une (ou les deux) extrémités du dispositif ; la position axiale du noyau « K » peut tre réglée manuellement tre automatiquement a 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 I

Le novau « K » est une pièce de section rectangutaire 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 t'entrée de la chambre d'admission « C », le noyau « K » peut tre réalisé en acier au carbone (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 a t'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 », o CZ », et « D », le noyau étant fixé sur un arbre traversant par exemple l'une (ou les deux) extrémités du dispositif ; la position axiale du noyau « K » peut tre 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 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 cette de « K''' » La partie « K'''» du noyau « K » coulisse dans le col compris entre la tuyère de détente/refroidissement « C2 » et le divergent de détente adiabatique « D » Selon l'application recherchée pour le dispositif et selon les températures du gaz a comprimer a l'entrée de la chambre d'admission « C », le noyau « K » peut tre réalisé en acier au carbone (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 a l'abrasion et aux températures mises en oeuvre.

L'exemple de réalisation représenté sur la figure 2. 3 montre un arbre traversant « et supporte 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 », t'espace libre compris entre « K'"» et « C2 » constitue une tuyère convergente qui assure le mme role que la tuyère convergente de compression/refroidissement « C2 » décrite dans la variante 1 ; le col (c'est a dire la section de passage minimale) de cette tuyère convergente est situé légèrement en amont du col de sortie de « C2 », et sa section Ss peut tre 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 pulverise, 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 tes mmes performances que 1'exemple précédent concernant le cas de base l, avec les modifications suivantes permettant d'ajuster le débit et le taux de compression du gaz à : -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 O, 1 m en sortie de « K"' », et de longueur totale 1, 0 m, avec filetage de réglage de position.

L'exemple de la figure 2.4 concerne lui aussi un dispositif de section circulaire ; le principe est 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 « Kl » coulissant axialement dans les zones « N » « C2 », « D », et « T », et dont l'axe est fixé sur un arbre traversant par exemple l'une (ou les deux) extrémités du dispositif ; la position axiale du noyau « Kl » peut tre réglée manuellement ou automatiquement a 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 reparties dans les zones « N » et « C2 » Les autres éléments du dispositif sont identiques à ceux décrits dans la version de base I Le noyau « Kl » 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"I dont la génératrice continue (sans angle) assure le lien entre la génératrice de « K'1 » et celle de « K"'l » La partie « K'1 » du noyau coulisse dans le col 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 a t'entrée de la chambre d'admission « C ». le noyau « Kl » peut tre réalisé en acier au carbone (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 « Kl » 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 « K I » et le conduit « C2 » constitue une tuyère convergente qui assure le mme 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 générât situe en aval du col de sortie de « C2 », et sa section Ss peut tre modifiée à tout moment à partir de l'extérieur par ajustement de la position axiale du noyau « Kl ».

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 mmes 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/rerroidissement « C2 » deviennent respectivement 0,60 m et 0,36 m, -Le diamètre d'entrée du divergent « D » devient > devient m, et sa longueur devient longueur 5 0, -Rajout d'un noyau « K » en acier inoxydable refroidi acier circulation refroidi d'eau circulation 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'entée 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 « Cl » dans lequel le fluide à comprimer est systématiquement détendu jusqu'à la vitesse sonique, et d'autre part le remplacement des parties « N » (zone de transition) et « C2 » (tuyère convergente de détente/refroidissement) par une tuyère divergente de détente supersonique « Dl », suivie d'une zone de transition « NT », d'une tuyère convergente tuyère compression refroidissement « C3 », et d'une tuyère convergente de compression adiabatique « C4 » (optionnelle) ; 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 « D I » La zone de transition « NT » assure une liaison continue entre les extrémités de « D I)) 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 a comprimer est réchauffé en amont de la zone « jusqu'à une température pouvant largement dépasser 1000 à 1500°C, puis détendu tout au long des zones « CI » et « D1 » qui constituent une tuyère convergente/divergente de détente supersonique (vitesse sonique au col) jusqu'à une pression Pa une vitesse Va et une température Ta, et enfin comprimé (avec élévation de température) dans la tuyère convergente de compression/refroidissement « C3 » avec, simultanément dans la mme 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 « et son evacuation.

Le système de pulvérisation est constitué d'une série de buses dont les positions et/ou les débits peuvent tre ajustés manuellement ou automatiquement à partir de l'extérieur, selon te mme concept que dans la version de base 1 ; 1'évaporation des gouttelettes pulvérisées (prélèvement de chaleur) peut tre effectuée dans la zone « Dl » (cycle se rapprochant d'un refroidissement isobare), mais ce cas présente peu d'intért pratique : nous ne mentionnerons dans la suite du descriptif que le prélèvement de chaleur effectué dans les zones « NT » ou o C3 » (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 zone (pour transition 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 (la différence de température DT=Ta-Ts étant nécessaire pour l'évaporation du liquide pulvérisé à t'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 a comprimer) ne commencera en « C3 » que lorsque, sous l'effet de la compression, la temperature 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 a comprimer à travers « C3 » : dans la pratique, des dimensions de gouttelettes de l'ordre de 5 à 30 um, 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 a comprimer, ainsi que de la pression de sortie recherchée n ces critères

étant fixés, les choix de la température de réchauffage du gaz en amont de « C », du taux de détente à travers « Cl » et « C2 » (et donc de Pa, Va, Ta), et des dimensions des gouttelettes, résultent d'un compromis entre les équipements standards disponibles sur le marché (divers types de buses de pulvérisation, matériaux,...), les dimensions et le prix du dispositif, et son rendement énergétique.

A titre d'exemple de réalisation, un compresseur d'air 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 revtu intérieurement de béton réfractaire avec un compresseur primaire de démarrage capable de développer une surpression de 500 mbar et un bruleur fonctionnant au gaz naturel et permettant de réchauffer t'airà 1000°C, -une chambre d'admission « C » de diamètre 0,97 m et de longueur 1, 16 m, -une tuyère convergente de détente subsonique « Cri » de diamètre au col voisin de 0,295 m, et de longueur 0,670 m, -une tuyère divergente de détente supersonique « Dl » de diamètre d'entrée voisin de 0,295 m de diamètre de sortie voisin de 0,388 m, et de longueur 0,2 m dans laquelle l'air est détendu 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, diamètre d'entrée de diamètre de sortie voisin de 0,7 m, et de longueur Im, -une chambre de tranquilisation « T » de diamètre 0,7 m et de longueur 0,84 m, -un systeme 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 Am, -un échangeur thermique permettant de refroidir 1'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 est réalisée au carbone revtu intérieurement carbone béton réfractaire, tandis que « Cl », « Dl », « 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 a 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 A, elle découle de la variante 3 et permet d'en simplifier le concept en remplaçant te 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 t'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 tre 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 I'axe du dispositif, à t'extrémité d'un arbre traversant la chambre d'admission, et dont le débit et la position peuvent tre réglés (manuellement ou automatiquement) à partir de l'extérieur, la figure 4. représente un autre exemple de réalisation avec plusieurs buses axiales du mme 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 t'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 t'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 mmes éléments et présente les mmes 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 a comprimer, le taux de compression, et le rendement énergétique du dispositif ; dans cette variante, te convergent « Cl » et le divergent « Dol » 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 « Cl » et « D I » 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 « C I » et « D 1 » par une tuyère convergente « CG » à géométrie variable, suivie d'une zone de transition optionnelle « NTI » puis d'une tuyère divergente « DG » à géométrie variable elle aussi, les trois à parois déformables de façon a modifier la section du col compris entre les deux

tuyères. te système de parois déformable peut tre du mme 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 tre équipée d'un système de géométrie variable lui permettant aussi d'tre légèrement convergente, afin de faciliter la mise en service du dispositif dans des conditions subsoniques.

La zone de transition « NT I » assure une liaison continue entre les extrémités de < CG » et « DG » avec une génératrice à pente monotone, et sans angle.

La vitesse du gaz a comprimer devant tre 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 t'entrée du premier col (et éventuellement le débit de liquide pulvérisé, ce qui entraine 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 zone « D1 » (tuyère divergente de détente supersonique) 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 « C 1 », 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 tre 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 tre toge 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 ; it 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''''» La partie « K"'2 » du noyau « K2 » est logée dans le convergent de détente subsonique « C ! ». 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 a l'entrée de la chambre de combustion « C », le noyau « K2 » peut tre réalisé en acier au carbone (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 a l'abrasion et aux temperatures mises en oeuvre.

L'exemple de réalisation représente sur la figure 5 I montre un noyau « K2 » supporté par un arbre qui le traverse axialement, reposant lui-mme 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 « Cl », l'espace libre compris entre « K'2 » et « C1 » constitue une tuyère convergente de détente subsonique qui assure le mme rôle que la tuyère convergente de détente subsonique « Cl » des variantes 4 des , et l'espace libre compris entre « K"2 », « NT' », et « N2 » constitue quand à lui une tuyère divergente de détente supersonique qui assure le mme rôle que la tuyère « D 1 » des ß 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 section de u C 1 », et sa section S's peut tre modifiée a 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 tre 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 mmes 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 : -Remplacement du divergent de détente supersonique « D 1 » par une zone de transition « NT' » et un conduit divergent « N2 », 1'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, I'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'7 » 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 avec filetage de réglage position.

-La buse de pulvérisation est identique à celle de 1'exemple de réalisation de la variante 4, mais le tube coulissant permettant de l'alimenter en eau est loge dans I'arbre support du noyau K : 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 ta sortie du dispositif les éventuelles ondes de pression ou ondes de choc pouvant dans certains cas se développer dans les zones « D 1 ». « 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 1'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 tre réglée pour tre de préférence légerement 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 »), suivie d'une tuyère « DGl » divergente à parois déformables elle aussi ; la tuyère « DGl » fait alors office de tuyère divergente de compression adiabatique « D » Le système de parois déformables peut tre du mme type que celui décrit au chapitre 2. 1 et représenté sur la figure 2. par exemple La vitesse du gaz à comprimer devant de préférence tre 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 t'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 « D I)) se soit déplacée dans la seconde tuyère divergente « DG » ; après cette evacuation 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 « Dl » de préférence, à l'intérieur duquel peut coulisser axialement un noyau profile « K. 3 » 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 etre 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 systeme 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 ta chambre éventuellement tranquillisation « T » peuvent etre simplement constitués simplement constitués prolongement du prolongement 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 « Dl », le noyau « K3 » peut etre réalisé en acier au carbone (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 t'arbre.

Lors de l'écoulement du gaz à comprimer dans le conduit « N3 », 1'espace libre compris entre « K'3"et le conduit « N3 » constitue une tuyère convergente qui assure le mme 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 mme rôle que la tuyère convergente de compression adiabatique « D » décrites dans les variantes 3 ou 4 ; le col (c. a. d. la section de passage minimale) entre de ces deux tuyères est en general situé entre la sortie du conduit « N3 » et te diamètre maximum de « K"3 », et sa section Ss peut tre 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 « nus cette surpression ainsi que le diamètre maximum de « K3 » sont sélectionnés de façon a ce que, lorsque le noyau « K3 > est introduit progressivement dans le conduit « N3 ». ta 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 mmes avantages que ceux de 1'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 mmes 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 : -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 mme conception mais de diamètre d'entrée 0, 390 m, -Rajout d'un noyau « K3 » en acier inoxydable refroidi acier circulation interne circulation interne 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 « -La buse de pulvérisation est identique à celle de 1'exemple de réalisation de la variante 4, mais le tube coulissant permettant de t'alimenter en eau est toge dans 1'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 mme 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 d'air (ou 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, variante remplacées comme remplacées comme variante la variante une par variable pouvant tre réglée pour tre 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) et 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 1'exemple de la figure 7, les systèmes de géométrie variable sont obtenus par l'utilisation de tuyères à parois déformables du mme type que celui décrit au chapitre 2. 1 et représenté sur la figure 2. 1 par exemple.

Dans 1'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 « Dut » de préférence, à l'intérieur duquel

peut coulisser axialement un noyau « K3 » dont 1'axe est fixé sur un arbre traversant par exemple l'une (ou les deux) extrémités du dispositif ; la position axiale du noyau « K3 » peut etre réglée manuellement ou automatiquement à partir de l'extérieur du dispositif par un filetage dispose 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 tre regroupes en un seul conduit de section légèrement divergente Le noyau « K3 » est une piece 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 « >) » La partie < K'3 » du noyau « K3 » est logée dans le conduit le La buse de pulvérisation est logée dans l'une des zone « N2 », « NT », ou « N3 », entre « K'''2 » (extrémité aval de « K2 ») et « K'3 » (extrémité amont de « K3 »).

Les autres éléments du dispositif sont identiques 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 « Dl », le noyau « K3 » peut etre réalisé en acier au carbone (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 I'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, 1'espace libre compris entre « K2 », < (C I » * < (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 mme, comme dans l'exemple de la figure 6. 1, I'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 b,, ir A, et permettant d'ajuster le débit et le taux de compression du gaz à comprimer, peut tre 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 mme diamètre d'entrée mais de longueur 1. 5 m et de diamètre de sortie voisin de 1,034 m, permettant de détendre I'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, diamètre d'entrée par 209 divergent par de mme 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 chambre une chambre conception, mais conception, 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 « 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 pulvérisé 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 de l'air (ou du gaz) comprime 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'accroitre 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 mme 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 tre obtenu en apportant les modifications suivantes à l'exemple de réalisation de la variante 7 : -Le diamètre de sortie de « C I » devient 0, 322 m

-Remplacement de « NT' » et « N2 » par une tuyère divergente de mme 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 I'air a 0, 004 bar A -Remplacement du conduit « N3 » par un nouveau conduit de mme 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 pulvérisé est réduit à 0,61 kg/seconde -Remplacement du noyau « K3 » par un nouveau noyau de diamètre maximum 1043 mm, de diamètres minimums 137 mm en extrémités de « K'3 » et « K"'3 >, et de longueur 3,1 m, supporté par un arbre de diamètre 140 mm à l'intérieur duquel circulent l'eau de pulverisation 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 utilise 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'accroitre 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 (chaleur récupérée dans les doubles enveloppes,..) ou externe au dispositif peut tre utilisée.

L exemple de la figure 9 concerne le mme type d'installation que celui de la figure 8, dans lequel le liquide à pulvériser est au préalable réchauffé dans un échangeur thermique installe sur la ligne d'évacuation du gaz comprimé A titre d'exemple de réalisation, un dispositif selon la figure 9 présentant les mmes dimensions et les mmes performances que 1'exemple de réalisation de la variante 8. avec en sus une température de sortie de 1'air comprimé augmentée de 20 °C, peut tre obtenu en rajoutant sur la ligne d'évacuation un échangeur thermique « E'1 » permettant de préchauffer à 40 °C 1'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 tre atteints par un dispositif unique, d'améliorer le rendement global de l installation, ou encore de faciliter la mise en service de 1'installation ; les dispositifs peuvent tre distincts les uns des autres comme dans l'exemple de la figure 10 décrit ci-après, ou imbriques l'un dans l'autre comme dans l'exemple de la figure 10 1 qui concerne deux

dispositifs installés en parallèle dans une mme 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 « C 1 » 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 arrté.

Le second dispositif aval (selon la figure 9), utilisé en marche normale et devant donc tre 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 « Cul » peut jouer le rote des zones « Cl » 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 « Kl » du dispositif sonique représenté sur la figure 2.3.

Lors de la mise en service de l'installation, le noyau « K3 » est entièrement retiré dans la chambre de tranquillisation « T ». le compresseur, te brûleur, et les buses de pulvérisation du noyau « Kl > sont mis en service, et la partie amont du dispositif est seule utilisée, comme une installation sonique ; lorsque la pression en aval de « C2 » est suffisamment élevée, le compresseur est arrté, 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 arrtées 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 tre effectuer 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 constitue d'un dispositif supersonique selon la figure 7 avec tuyères à géométrie variable par parois déformables dans lequel le convergent « CG » du dispositif supersonique peut jouer le rôle des convergents « C 1 » et « C2 » du dispositif sonique représenté sur la figure 2 3 ; le convergent « CG » du dispositif supersonique comporte en sus des buses de pulvérisation « R) > réparties tout au long de son axe, qui jouent le mme 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 « (CG » est mis en position « démarrage » , légèrement divergent ; le compresseur, le brûleur, et les buses de pulvérisation du dispositif sonique sont mis en service, et la partie amont du dispositif est seule utilisée, comme une installation sonique, lorsque la pression en aval de « C2 » est suffisamment élevée, le compresseur est arrté, 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 arrtées progressivement ; 1'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 tre effectues 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 mme 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 « Kl » et comme buse et comme 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 » est alors entièrement retiré dans « l'obtention d'un gain de pression suffisant pour permettre la mise en service du dispositif supersonique (c'est à dire l'introduction de « K2)) dans « CI » pour 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 I bar A à 2. 5 bar A, et permettant d'ajuster le débit et le taux de compression du gaz à comprimer, peut tre obtenu avec un compresseur de démarrage

développant une surpression de 1 (0 mbar seulement, en apportant les modifications suivantes à l'exemple de réalisation de la vari lnte f : -Le convergent « C 1 » est remplacé par un convergent de mme conception (remplissant le rôle de « C I » vis-à-vis du fonctionnement supersonique et de « C 1 » + « C2 » vis-à-vis du fonctionnement sonique), de mmes 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 de mmes diamètres mais de longueur totale 1,3 m ; sa partie aval « K"' >, qui coulisse dans « C I) >, comporte sur son pourtour les buses de pulvérisation nécessaires au fonctionnement sonique APPLICATIONS NDUSTRIELLE 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 intért 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 (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 (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 mme dispositif que celui décrit dans 1'exemple précédent ; dans de telles centrales, la vapeur recomprimée est surchauffée puis détendue à travers des turbines avant d'tre retournée à t'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 à 40 à 100 bar), et 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 bruleur, 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 prés 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°/o à près de 45% le rendement d'une turbine a 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 tubine, etc...

9-Centrales thermo-électriques utilisant le cycle de compression du dispositif, et constituées par exemple du dispositif selon la figure 10.1 sans bruleur « 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 o 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 tubine, etc...