Quasiturbine à vapeur saturée
Une alternative aux turbines à vapeur saturée

Voir aussi Quasiturbine - Moteur Rotatif Stirling (Sterling) à:
http://quasiturbine.promci.qc.ca/FQTStirling.html

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International Association for the Advancement of Steam Power
http://www.iaasp.org/news.htm

Novembre 2001 - www.quasiturbine.com - Site internet du mois

Steam power is staging what may prove to be the biggest grass-roots comeback
in the history of the industrial revolution!
From micro-horsepower to gigawatts, from microchips to motorcycles,
and from wheel chairs to missions to mars, STEAM POWER IS BECOMING PROMINENT
IN VIRTUALLY EVERY INDUSTRY IN EVERY COUNTRY OF THE WORLD.
Web site of the Month: The Quasiturbine New Engine - Here is a site you have to see!
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Pour une efficacité énergétique thermique supérieure à 50% ! (théorique)
Comme l'eau exige une grande quantité de chaleur latente de vaporisation,
(qui n'est généralement pas récupérée dans le condenseur ou en air libre dans les circuits ouverts),
l'opération avec de la vapeur saturée donne toujours une faible efficacité (5 %) (à moins de co-génération),
étant donné l'important volume d'eau qu'il faut alors vaporiser pour maintenir la pression.
Bien que la Quasiturbine puisse accepter de la vapeur saturée,
il n'est pas souhaitable pour raison d'efficacité énergétique
que cette vapeur demeure saturée durant tout son cycle.
En fait, dans toutes les machines thermiques à détente (dont la Quasiturbine est l'une des plus efficace),
l'augmentation d'efficacité thermique est liée à la surchauffe de la vapeur 
(sans avoir à en augmenter la pression),

puisqu'on obtient alors le même effet de pression avec moins de molécules,
d'où une réduction considérable de la quantité d'eau à vaporiser
(... et une économie d'énergie correspondante en chaleur latente, 
bien qu'on perdent un peu plus en calorie dans l'échappement
).
Avec une importante surchauffe,
l'efficacité des machines à vapeur peut atteindre et même dépasser le 50% ...
(La surchauffe pouvant se faire dans les conduits, ou dans la Quasiturbine elle-même).
En pratique,
un système conventionnel soigné peut avoir une efficacité dépassant 20%,
avec une prise direct et une marche arrière instantanée.

... Plus besoin de vapeur à très haute pression pour être efficace!
Les turbines à vapeur conventionnelles exigent de très fortes pressions
afin de générer de hautes vitesses d'écoulement permettant aux turbines d'être efficaces.
Il n'en est pas ainsi avec la Quasiturbine qui est très efficace 
à toutes les pressions, toutes les niveaux de charge et tous les RPM,

et qui peut produire de substantielles puissances à partir de 
pressions d'entrées soutenues aussi basse que
20 à 50 lb/po2 et à seulement 1800 RPM.
Dans les deux cas cependant, la surchauffe de la vapeur accroît l'efficacité du cycle thermique,
et des pressions d'opération plus basse peuvent conduire à des 
équipements plus
volumineux pour la même puissance ...
La Quasiturbine réduit grandement les coûts de fabrication et d'opération des centrales, 
améliore de beaucoup le niveau de risque et de
sécurité, 
et réduit les
exigences réglementaires et la qualification requise des employés.

Vapeur versus pneumatique - Effet de la condensation
Le moteur pneumatique n'a pas de changement de phase en cours de détente,
de sorte qu'au moment de l'échappement il doit évacuer un volume important de gaz,
alors que le changement de phase de la vapeur en condensât en cours de la détente
réduit considérablement le volume à évacuer
(tout comme le refroidissement adiabatique dans les moteurs à combustions)
et aide à l'accroissement de la performance moteur.
Pour bénéficier de cette effet, il est avantageux de procéder
à une coupure ou à un étranglement de l'alimentation vapeur à mi-course
pour s'assurer une véritable détente et condensation dans la chambre avant l'ouverture à l'échappement.

Adiabatique versus isothermal
Comme la Quasiturbine pneumatique / vapeur comprend deux circuits, ces circuits peuvent au choix aussi
être alimentés en série en reliant la sortie de la première chambre à l'entrée de la seconde.
En plaçant un échangeur sur ce conduit on peut ajouter de la chaleur
et faire en sorte que la détente totale dans le moteur se rapproche d'une détente isothermal.
Remarquer que dans ce cas, les différentiels de pression interne vont s'auto-répartir entre les 2 chambres successives.
Dans les turbines conventionnelles, on fait souvent une telle chauffe intermédiaire
afin d'augmenter la puissance totale de la machine, sans nécessairement accroître le rendement.
Dans le cas de la Quasiturbine, le raccord en série réduit forcément la puissance spécifique
mais peut accroître le rendement si la chaleur intermédiaire est sans frais,
comme dans le cas de la chaleur atmosphérique en mode pneumatique.
Le recours au mode série peut présenter de l'intérêt dans le cas de forte pression
où la détente produit un grand refroidissement, mais présente peu d'intérêt
avec la Quasiturbine aux basses pressions, disons inférieur à 50 lb/po2 (psi).
Si le différentiel de pression est considérable,
les volumes et déplacements impliqués dans la détente initiale sont beaucoup moindre qu'à la détente finale,
de sorte que la machine en phase initiale doit être de plus petite dimension
(disons pour une détente de 600 à 300 psi) que pour la phase finale (de 300 à 0 psi).
Si l'utilisation d'une machine unique requiert une réduction initiale de pression,
cette perte initiale de pression dans un détendeur n'est pas convertie en énergie mécanique,
mais en énergie cinétique puis thermique dans la conduite, ce qui atténue évidemment le refroidissement adiabatique...
Parce que les volumes et déplacements en phase finale sont plus importants,
le même différentiel de pression à ce niveau produit plus d'énergie que lorsqu'on le traite à une pression plus élevée.
Autrement dit, pour tirer le maximum d'énergie d'une très haute pression,
il faudrait une cascade de machine commençant par les plus petites, chacune réduisant un peu la pression et alimentant la suivante...
Les machines à vapeur anciennes utilisent jusqu'à 3 machines (ou plus d'étages dans le cas de turbines),
le Titanic avait des machines à vapeur utilisant 4 étages de détentes...
MDI pour sa part propose une voiture pneumatique à très haute pression utilisant 3 étages à piston.
Rien n'empêche de juxtaposer 3 Quasiturbines de dimensions différentes pour faire encore mieux !
Dans le cas d'une source de pression qui s'épuise avec le temps comme l'air comprimé dans des cylindres,
l'inconvénient évident est qu'il faut traîner un ou des étages inutiles lorsque la pression devient moindre.
Un réservoir haute pression se refroidi progressivement lorsqu'il se déverse dans un réservoir intermédiaire basse pression,
mais c'est à l'entrée du réservoir basse pression que la détente est violente et où le refroidissement est le plus considérable.
Cependant, la violente détente amène avec elle de l'énergie cinétique
qui ne se transforme pas alors en travail mécanique, mais en chaleur,
réduisant ainsi l'effet net de refroidissement dans le réservoir basse pression ou dans la conduite.
Il n'est cependant pas très sage d'utiliser l'énergie de pression du réservoir haute pression
pour réchauffer partiellement le réservoir intermédiaire basse pression,
d'où l'intérêt d'utiliser des détentes mécaniques multiples  avec des réchauffeurs isobars entre les étages !
L'énergie étant proportionnel à la pression fois le volume, l'énergie est faible après chaque détente même s'il y a pression,
parce que le volume est contracté et faible, et c'est la chauffe qui redonne du volume,et donc de l'énergie
Ces détentes multiples sont rentables dans le cas de systèmes de plusieurs mégawatts
(à pression initiale élevée et soutenue) ayant des facteurs d'utilisation importants,
mais sont plus difficile à justifier dans le cas de petits véhicules demandant quelques dizaines de kW seulement,
dont le facteur d'utilisation est d'une demi-heure par jour, et dont la haute pression des réservoirs n'est pas soutenue !
Tout ceci démontre que plus les pressions sont élevées et que les températures sont basses,
moins le système de production / récupération est efficace.

Voir aussi : 
Quasiturbine - Efficacité comparative aux autres moteurs
http://quasiturbine.promci.qc.ca/FQTEfficaciteComparative.html

La Quasiturbine à vapeur ne présente aucune vibration sur l'arbre.

 
Quasiturbine pneumatique-vapeur modèle QT50SC (Sans chariot)
Utilisable avec des pressions d'admission soutenues aussi basse que 20 à 50 lb/po2!

  FQTCaractCalcul.gif (7141 bytes)
Quasiturbine modèle QT50AC (Avec chariots)  
Assumant un différentiel de pression de 500 lb/po.ca., ce graphique donne pour chaque rpm :
le couple moteur, la puissance et de débit géométrique à l'entrée.
Ces résultats peuvent être ajustés linéairement pour d'autres différentiels de pression.
Utilisable avec des pressions d'admission soutenues aussi basse que 20 à 50 lb/po2.!
En pratique, diviser par 2 le couple et la puissance pour tenir compte du facteur de forme.

L'utilisation de ce graphique pour extrapoler hypothétiquement les grandes unités à vapeur 
ayant un différentiel de pression de 33 bars (500 lb/po.ca.) et une révolution réduite à 1800 RPM donnerait 
sans boîte de rapport de vitesse (Pas encore de données expérimentales disponibles) :
(Ce régime haute puissance n'est pas particulièrement efficace, bien qu'il puisse être maintenu en opération continue)

Puissance sur l'arbre Diamètre du rotor Épaisseur du rotor
50 kW (70 CV)

0,4 MW (530 CV)

3 MW (4 000 CV)

25 MW (33 000 CV)

200 MW (260 000 CV)

13 cm (5 pouces)

25 cm (10 pouces)

 53 cm (21 pouces)

1 m (3,5 pieds)

2 m (7 pieds)

5 cm (2 pouces)

10 cm (4 pouces)

20 cm (8 pouces)

41 cm (16 pouces)

82 cm (32 pouces)

Notez que dans le mode à 4 temps à combustion interne, la Quasiturbine produit environ 1/8 de la puissance indiquée,
augmentant avec le RPM maximum.
En pratique, diviser par 2 le couple et la puissance pour tenir compte du facteur de forme.

 

I - Moteur à vapeur conventionnel (incluant à vapeur saturée)
Comme la Quasiturbine est un pur moteur à détente
(ce que le Wankel n'est pas, ni la plupart des autres moteurs rotatifs),
elle est particulièrement bien indiquée pour la vapeur.
Puisque la Quasiturbine est une turbine hydrostatique (plutôt qu'hydrodynamique),
elle est aussi particulièrement appropriée pour les projets de co-génération à vapeur saturée.

À partir du bloc moteur de 200cc par révolution,
un prototype de moteur à vapeur été construit comprenant 2 circuits parallèles de détente
de 200cc par tour chacun, pour un total d'environ 14 pieds cubes d'admission à la minute à 1000 rpm.

L'originalité du concept vient aussi du fait que le moteur Quasiturbine peut être placé à l'intérieur de la bouilloire !

 


II - Moteur à injection d'eau chaude (évaporation in-situ)
Parce que la Quasiturbine accepte une vapeur saturée,
une voie attrayante permettant de contourner les limitations aux débits d'entrée de la vapeur est
d'utiliser le moteur Quasiturbine lui-même comme évaporateur.
Dans ce cas, la bouilloire extérieure devient une simple chaudière d'eau chaude sans évaporateur,
et l'eau chaude pressurisée prise en circuit fermé à la base de la chaudière est amenée à l'entrée du moteur,
où des goutelettes d'eau et d'huile sont directement injectées dans la chambre de détente,
et conséquemment évaporées à l'intérieur même de la Quasiturbine.
Dans ce cas, la chaleur latente de vaporisation est aussi fournie au moteur
par le circuit fermé d'eau chaude pressurisé via un serpentin entourant la Quasiturbine.
Les vapeurs d'échappement vont dans un condenseur conventionnel et retourne à la bouilloire.
Cette option présente aussi l'avantage de requérir une chaudière beaucoup moins encombrante,
des conduits de petites dimensions, des vannes miniatures de contrôle,
et permet potentiellement d'atteindre les vitesses de rotations plus élevées.
Dans le cas de systèmes thermiques solaires, si la réserve de liquide est suffisante pour toute la période d'ensoleillement,
ce mode de fonctionnement permet un unique remplissage de nuit !

III - Moteur à injection d'eau froide ?
Ce mode est tout à fait inimaginable avec les turbines conventionnelles,
puisqu'elles répondent à la vitesse d'écoulement de la vapeur qui doit être pré-conditionnée.
En effet, si un brûleur chauffe directement le boîtier de la Quasiturbine, plus besoin de bouilloire
(La Quasiturbine agissant simultanément comme bouilloire, surchauffeur et évaporateur),
et on peut alors y injecter de l'eau froide (qui subira la préchauffe dans l'injecteur)
à une pression supérieure à la pression interne maximale de fonctionnement.
Mode idéal pour les concentrateurs thermiques solaire chauffant directement un boîtier Quasiturbine !
(Ce mode revient à utiliser le bloc moteur de la Quasiturbine comme "flash steam generator")
(Notez qu'une source de chaleur éloignée peut utiliser un fluide qui ne s'évapore pas comme de l'huile ou du sodium liquide
pour transférer la chaleur au bloc moteur).


RÉCUPÉRATION DE PURGE DE VAPEUR
Comme les bouilloires des grands réseaux de vapeur industriel ne peuvent être modulées rapidement en puissance,
ces bouilloires produisent généralement un "excédent de vapeur" pour satisfaire les fluctuations de la demande
qui peut atteindre 5 à 10% de la capacité totale.
Lorsque l'appel de vapeur ne requière pas ce supplément, il est généralement purgé en pure perte.
Or, l'utilisation d'une ou de plusieurs Quasiturbine à vapeur au point de purge
permet de récupérer une partie de l'énergie de la vapeur
et de produire par intermittence de l'air comprimé ou de l'électricité...

STATION DE RÉDUCTION DE VAPEUR
D'autre part, une Quasiturbine placée sur une ligne de vapeur peut agir comme un régulateur de débit
en fonction de la puissance qu'on y extrait, et mieux encore,
elle peut aussi agir comme une station auto-récupératrice de réduction de pression de vapeur
pour les différentes étapes des procédés industriels.

LE POMPAGE DES CONDENSAS
La Quasiturbine utilisée en mode turbopompe telle que décrit à
http://quasiturbine.promci.qc.ca/FQTPompe.html
est particulièrement adaptée pour pomper les condensas de vapeur
à partir de l'injection de vapeur dans un seul des circuits de la Quasiturbine turbopompe.

Pour en savoir davantage, voir la section :
Pourquoi la Quasiturbine révolutionne-elle l'usage de la vapeur et de l'énergie solaire ?
http://quasiturbine.promci.qc.ca/QTvapeurPourquoiF.html 

The Steam-Powered Quasiturbine in  
Direct-Drive Railway Locomotive Propulsion
http://quasiturbine.promci.qc.ca/QTLocoVapeurValentineH.htm 

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Quasiturbine Vapeur Inc.
Casier 2804, 3535 Ave Papineau, Montréal Québec H2K 4J9 CANADA (514) 527-8484 Fax (514) 527-9530
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