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Procédé et appareils pour la réalisation de transformations d'énergie sous forme thermique.
La présente invention concerne des procédés de transformation de calories en frigories ou d'une quantité de calories à haute température en une quantité plus con- sidérable de calories à température relativement basse.
Dans une machine frigorifique ou dans une pompe à chaleur, utilisant des gaz comme fluide mis en jeu, on emploie des cycles comprenant une compression, un dégage- ment de chaleur à pression constante relativement élevée, une détente et une absorption de chaleur à pression constan- te relativement basse. On sait que de tels cycles absor- bent une quantité d'énergie égale à la différence entre l'énergie fournie pour la compression du gaz et celle récu-
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perée par sa détente; cette différence est due à la. diminu- tion de volume du gaz sous pression par refroidissement ou à son accroissement de volume par réchauffage sous dépres- sion, ainsi qu'aux fuites de gaz. L'énergie absorbée est généralement fournie sous forme mécanique par un moteur.
La présente Invention a pour but de permettre de supprimer ce moteur et d'y substituer un apport dénergie sous forme thermique, dans des conditions telles quelle soit directement utilisable et que l'on évite les pertes inhérentes aux transformations d'energie, et en particulier à 1'* intervention d'appareils mécaniques ainsi que les compli- cations d'ordre pratique outils comportent. Dans certaines de ses applications, l'invention permet d'utiliser une source de chaleur au lieu d'une source d'énergie pour la production de froid, avec un rendement meilleur que ceux des procédés connus, tels par exemple que ceux mis en oeuvre dans les ma- chines frigorifiques à absorption, un autre avantage étant la possibilité d'employer l'air conne seul fluide.
L'invention a aussi pour but, en utilisant une fai- ble quantité de calories à température relativement haute, de rendre disponibles une grande quantité de calories ou de frigories à température relativement basse, c'est-à-dire de donner le moyen de jouer vis-à-vis de la chaleur un rôle ana-
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logue à celui du tr:-nsfoc:ateur =lectryue vis-à-vis de l'é- lectricité.
L'invention vise également à tirer parti de sources de chaleur à des températures relativement basses, pratique- ment Inutilisables les procédés habituels, par exemple des gaz de combustion dont la temperature est descendue à 100- 200 C, pour la production de froid, par exemple.
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Dans ses grandes lignes, l'invention consiste à com- biner avec les opérations de cycles consommateurs d'énergie potentielle sous forme de gaz sous pression ou dépression, ou cycles récepteurs, un ensemble d'opérations analogues mais in- verses portant sur d'autres quantités de gaz, c'est-à-dire conduites de façon qu'elles soient motrices et produisent, à partir de chaleur, de l'énergie potentielle également sous forme de gaz sous pression ou dépression.
En d'autres termes, suivant l'invention, à côté'de la variation de volume du gaz qui dans la première série d'opéra- tions est une conséquence obligatoire de l'effet thermique re- cherché et entraîne absorption d'énergie, on crée par une se- conde série d'operations, un effet thermique inverse donnant lieu à une variation de volume de gaz susceptible de dégager de l'énergie, et l'on utilise cette variation de volume de gaz pour compenser la première, sans que l'énergie transmise soit transformée sous forme mécanique. A cet effet, entre les deux circuits où. sont effectuées des opérations thermiques inver- ses, on crée une communication permettant l'établissement d'un flux gazeux dit "flux de compensation!! et fermant ainsi un cycle qui met en jeu une quantité constante de gaz.
Ce flux de compensation peut être créé simplement par la mise en communication des échangeurs à pression constante de chacun des deux circuits si ces derniers comportent tous deux le même écart de pression. Il peut s'effectuer à tra- vers une machine produisant ou utilisant une différence de pression s'il y a lieu d'égaliser la pression du gaz entre les deux circuits. De cette manière, les travaux de compres- sion et de détente dans chacun des deux circuits deviennent égaux et l'énergie purement mécanique transmise de l'un à l'autre, ou empruntée à l'extérieur est réduite à la compen-
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sation des frottements.
Celle-ci peut être fournie par un excédent d'energie de la partie motrice du cycle, soit sous forme d'un excédent de gaz comprimé, soit sous forme d'un écart de pression supérieur dans la partie motrice à celui de la partie réceptrice.
Le prélèvement de gaz dans un circuit et son intro- duction dans l'autre circuit se font, en amont ou en aval des echangeurs de température, en des points tels que les tempé- ratures soient aussi voisines que possible pour eviter les perturbations d'effet thermique du cycle. Par exemple, la to- talité du gaz à traiter peut être comprimée puis divisée en deux parties dont la plus grande se rend dans un échangeur où elle se refroidit et la plus petite dans un échangeur où elle est réchauffée, de telle sorte qu'après passage dans ces échangeurs les volumes respectifs aient varié en sens inverses et que l'on puisse effectuer séparément la détente de ces deux quantités de gaz.
Dans une forme de l'invention, particulièrement avan- tageuse au point de vue du rendement de la transformation ther- mique, les compressions et détentes que comporte la partie motrice du cycle sont effectuées adiabatiquement tandis que celles de la partie réceptrice sont rendues plus voisines de l'isotherme. Ceci permet de mieux adapter d'une part la partie motrice du cycle à la production de gaz sous pression avec une absorption de chaleur aussi faible que possitle, dautre part la partie réceptrice à l'utilisation de gaz sous pression pour l'obtention d'un effet thermique aussi grand que possi- ble, comme cela sera expliqué plus loin.
Au lieu de procéder, dans la partie réceptrice du cycle, à des compressions et détentes isothermiques, diffici-
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les à réaliser en pratique, on peut en conservant sensible- ment les mêmes avantages, diviser les compressions et déten- tes en plusieurs étages avec échange de chaleur à chaque pa- lier et compensation de la variation de volume correspondante par rétablissement de flux de gaz entre les échangeurs où s'effectuent des opérations thermiques de sens inverses.
Une application importante du procédé suivant l'in- vention est due à la possibilité dutiliser, comme source dénergie thermique, des gaz à une température de l'ordre de 100 à 200 C, tels que des gaz de combustion, habituellement rejetés comme sans valeur. Cette possibilité résulte de ce que les opérations thermiques effectuées peuvent correspon- dre à des écarts de température d'un même ordre de grandeur, soit par exemple quelques dizaines de degrés, ce qui suffit en pratique pour la production de froid.
Dans un mode dexécution du procédé les gaz chauds (gaz de combustion) au lieu d'être utilisés dans des échan- geurs de chaleur, parcourent directement la partie motrice du cycle, ce qui évidemment est encore plus avantageux. Il suffit pour cela, suivant l'invention, que la pression la plus élevée du cycle soit celle du milieu ambiant, la pres- sion la plus basse étant obtenue par détente des gaz chauds..
Ceux-ci ensuite refroidis, puis ramenés à la pression atmos- phérique, entretiennent par aspiration, dans un circuit ré- cepteur à dépression, les phases de détente, c'est-à-dire production de froid, absorption de celui-ci à pression cons- tante et recompression. Le circuit de la partie motrice du cycle se ferme alors par la cheminée ou le conduit d'où sont prélevés les gaz chauds, tandis que le circuit de la partie réceptrice se complète par l'atmosphère. Dans ces conditions,
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le mélange des gaz entre la partie motrice et la partie ré- ceptrice du cycle peut être effectué de manière à éviter que les gaz de la partie motrice pénètrent dans la partie récep- trice et souillent les gaz parcourant celle-ci.
La aise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus peut être faite en utilisant des compresseurs ou des détendeurs de tout type connu. Sa réalisation est particulièrement avan- tageuse et plus conforme 3. l'idée directrice de l'invention qui est de supprimer les transformations d'énergie, lors- qu'il est fait usage, pour la compression et la détente, des appareils 3 la fois compresseurs et détendeurs décrits par l'inventeur dans son brevet belge h 402.092 du 19 Mars 1934, qui réalisent sans l'intermédiaire d'organes mécaniques un
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Iléel-iange de pression" entre des volumes égaux de gaz mesu- r's 3. le. '1lê-,IE: pression :-::::.i8 :.Y6C 1'=cr=rt de température ré- sultant du passage dans l'échangeur de temperature.
De la sorte,on évite non seulement la transmission d'énergie d'un circuit à l'autre, mais en outre la transmission d'énergie du compresseur au détendeur de chaque circuit.
Des appareils de ce genre peuvent être reliés deux à deux ou combinés de façon que le flux de compensation en- tre les deux parties du cycle compense les variations de volume subies par le gaz dans les échangeurs de chaleur ainsi que les pertes éventuelles. On parvient ainsi à supprimer presque totalement les transformations .d'énergie sous forme de pression de gaz en energie mécanique.
Les dessins annexés représentent des diagrammes in- diquant les phénomènes mis enjeu dans la réalisation de l'invention ainsi Que des dispositions schématiques d'appa- reils susceptibles d'être utilisés en vue de cette réalisa-
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tion sous diverses formes, ces appareils et ces dispositions étant figurés purement à titre d'exemples.
Fig. 1 est un diagramme entropique représentant côte à côte la partie réceptrice et la partie motrice' d'un cycle suivant l'invention.
Figs. 2 et 3 montrent schématiquement des disposi- tions de circuits convenant pour la réalisation des conditions indiquées dans ce diagramme.
Fig. 4 est un autre diagramme et Fig. 5 un schéma des circuits correspondants.
Figs. 6 et 7 sont d'autres diagrammes entropiques,
Fig. 8 montrant une disposition répondant aux con- ditions indiquées dans la Fig. 7.
Fig. 9 est un diagramme entropique et Fig. 10 une disposition de circuits se rapportant plus particulièrement à 1''utilisation de gaz industriels.
Fig. 11 montre un appareil rotatif compresseur - détendeur convenant particulièrement pour la réalisation de la présente invention.
Fig. 12 est une coupe schématique suivant la ligne XII-XII de la Fig. 11.
Fig. 13 est une vue semblable à la Fig. 12, montrant une variante.
Le diagramme entropique de la Fig. 1 concerne une forme de l'invention dans laquelle les compressions et dé- tentes des deux séries d'opérations sont adiabatiques.
A B C D représente la partie réceptrice du cycle., qui comprend les opérations réalisées dans les machines frigori- fiques et les pompes à chaleur, à savoir les phases suivantes: A B, compression adiabatique du gaz; B C, refroidissement à
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pression constante; C D détente adiabatique; D A, rechauffage aux dépens du milieu ambiant, c'est-à-dire production de fri- gories.
En même temps que cette série dopérations, on con- duit une série d'operations inverses (partie motrice du cy- cle) comme suit: A' B', compression adiabatique; B' C', é- chauffement à pression constante par une source de chaleur, C' D', dctente adiabatique; D' A', refroidissement.
Ln parcourant les phases A B C D le gaz subit pen- dant l'échauffement D A une @ugmentation de volume qui, si le circuit renfermant ce gaz etait ferme sur lui-même, de- vrait être compensée par une dépense d'energie mécanique. Le gaz parcourant les phases B' C' D' subit de même une di- minution de volume pendant le refroidissement D' A', Suivant la présente invention 1-'augmentation de volume au cours de la première série coopérations est componsée par la diminution créée au cours de la seconde, ce cue l'on réalise en établis- sant une communication entre les deux circuits aux points A et A'.
De même une communication entre les points B et B' periet de compenser par l'accroissement de volume de L'en C', la diminmtion de volume que subit pendant le refroidisse- ment B C le gaz du circuit récepteur.
Une semblable disposition est indLquée sur la Fig. 2 où 1, 1' sont des compresseurs, 2, 2' des détendeurs, 3, 3' et 4, 4' des échangeurs de température. En amont et en aval des compresseurs 1, 1', des communications 5, 6 sont établies entre les deux circuits pour permettre le débit gazeux qui doit compenser les variations respectives de volume pendant la phase sous pression, 1''excès de gaz passant en 5 du cir- , cuit récepteur au circuit moteur pour lui être restitué par 1
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celui-ci en 6.
Il circule ainsi continuellement par 5 et 6, un flux de compensation ou flux "d'échange de volume" de sens constant, grâce auquel peut être supprimé le travail impor- tant auï, autrement, devrait être dépensé pour compenser les variations de volume dues aux échauffements et'aux refroidis- sements successifs dans le circuit récepteur.
Bien qu'on ait représenté ici deux compresseurs, deux détendeurs et quatre échangeurs il est possible de com- biner entre eux les compresseurs, les détendeurs, les échan- geurs, ou comme on le verra plus loin, certains d'entre eux.
La figure 3 montre schématiquement un exemple de réalisation ne comportant qu'un compresseur unique 7.
Il est également possible, et c'est là une forme avantageuse de l'invention, d'entretenir des écarts de pres- sion différents dans la partie motrice et la partie réceptri- ce du cycle. La figure 4 est un diagramme entropique sembla- ble à celui de la figure 1, mais où l'écart de pression est plus grand pour la partie motrice A' B' C' D' que pour la partie réceptrice A B C D.
Dans ce cas, comme indiqué dans la figure 5, la liaison entre les échangeurs à haute pression des deux cir- cuits comporte un détendeur tel que 8, où la détente du flux de gaz passant du circuit moteur au circuit récepteur fournit de l'énergie récupérable, susceptible d'être utilisée pour compenser les pertes d'énergie dues aux frottements des or- ganes mobiles par exemple.
La figure 6 représente, en diagramme entropîque, un mode d'exécution très intéressant de l'invention où la par- tie motrice A' B' C' D' du cycle comporte les mêmes opéra- tions que dans les exemples précédents, compression et déten-
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te étant réalisées adiabatiquement, tandis que la partie ré- ceptrice A B C D est réalisée de façon à comporter une com- pression A B et une détente C D voisines de l'isotherme.
L'avantage d'une telle réalisation se comprendra à l'aide des considérations suivantes:
On sait que dans le diagramme entropique les quan- tités de chaleur échangées avec l'exterieur au cours des di- verses opérations sont mesurées par les aires sous-tendues par les lignes représentatives de ces opérations, tandis que les quantités d'énergie dégagée ou absorbée sont représentées par les aires comprises entre les lignes définissant chaque ensemble d'opérations.
Dans le cycle représenté sur la fi- gure 1, la quantité de chaleur prélevée à la source chaude est mesurée par l'aire sous-tendue par la courbe B' C' (c'est- à-dire l'aire comprise entre B' C', les deux verticales pas- sant par B' et C' et la ligne de base figurant le zéro abso- la) tandis que la quantité de chaleur empruntée au milieu ambiant,et correspondant à la production de froid, est re- présentée par l'aire sous-tendue par la courbe D A. L'énergie absorbée est figurée par l'aire -4 B C D, l'énergie dégagée par l'aire A' B' C' D', celle-ci devant être au moins égale et normalement plus grande que A B C D pour tenir compte des pertes.
Cette dernière condition (A' B' C' D' ¯ A B C D) exige dans le cas de la Fig. 1, pour les diverses opérations de la partie motrice du cycle, que les effets thermiques (mesurés par les aires sous-tendues par les lignes représen- tatives de ces opérations) soient au moins du même ordre que les effets thermiques correspondant aux opérations de la par- tie réceptrice du cycle. En effet la quasi-égalité des aires
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hachurées A B C D, A' B' C' D' et la valeur voisine de leurs ordonnées entraînent une valeur voisine de leurs largeurs et par suite, des aires sous-tendues. Une calorie permet ainsi de produire, au maximum, presqu'une frigorie ou presque deux calories à température plus basse.
Au contraire, dans le cas de la figure 6, on voit que la chaleur prélevée (courbe B' C') peut rester faible alors que la chaleur empruntée au milieu ambiant (courbes C D et
D A) et la chaleur transportée à un niveau thermique supérieur (courbes A B et B C) sont dans un rapport qui peut être rendu aussi grand qu'on le désire à condition d'accroître suffisam- ment l'écart de pression pour un même écart de température de la partie réceptrice, La dépense d'énergie pour chaque partie du cycle étant figurée par l'aire hachurée correspondante, on voit sur le diagramme de la figure 6 que pour une dépense d'énergie du même ordre que celle requise dans le cas de la figure 1 par-exemple, la partie réceptrice du cycle donne lieu à des effets thermiques beaucoup plus considérables, ce qui permet de produire n frigories ou n calories à partir d'une calorie,
la valeur de n dépendant du rapport entre les écarts de températures.
En pratique la réalisation de compressionset de dé- tentes isothermes et l'utilisation de la chaleur dégagée pen- dant la compression présentent de très grandes difficultés.
On préfère y substituer une succession de compressions et de détentes étagées, dont les étages sont séparés par des échan- ges de chaleur à pression constante. La figure 7 représente, en diagramme entropique, un cycle suivant l'invention, dont la partie réceptrice comporte deux étages, avec les opérations suivantes: A B compression adiabatique, B C dégagement de
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chaleur, C D seconde compression adiabatique, D E second dé- gagement de chaleur, E F détente adiabatique, F G production de froid, G H seconde détente adiabatique, H À seconde produc- tion de froid.
Le nombre d'étages peut évidemment être augmenté à volonté sans créer de difficultés. Quel que soitle nombre d'étages on fait alors en sorte que la variation de volume pendant un échange de chaleur soit toujours compensée par une variation de volume inverse pendant un autre échange de cha- leur, la variation de volume pendant le refroidissement B C par exemple étant compensée par une variation de sens inverse pendant l'échauffement F G.
Ainsi, les variations de volume de sens inverse dans les étages successifs de la partie ré- ceptrice se compensent mutuellement jusquà la dernière, c'est- à-dire celle à la pression maximum qui, seule, doit être com- pensée par un apport extérieur, celui dû à l'échauffement B' C
La figure 8 montre schématiquement une disposition d'appareils convenant pour la réalisation du cycle suivant la Fig. 7. Tandis que le circuit moteur comprend les mêmes éléments que sur la Fig. 2, le circuit récepteur comporte deux étages de compresseurs 1, 11 et de détendeurs 2, 12, ainsi que des échangeurs intermédiaires 13, 14. De même que précédemment, 5 et 6 désignent les communications établies pour la circulation du flux d'échange de volume entre les circuits à même pression.
Une communication supplémentaire, dans le circuit récepteur, est créée en 15 afin de compenser la variation de volume du gaz dans les échangeurs 13, 14. Dans le cas d'un plus grand nombre d'étages, il existe une communi- cation telle que 15 entre les deux échangeurs à même pression de chaque palier, ce qui permet de réduire l'échange de volume
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de gaz avec le circuit moteur à celui nécessité par le der- nier étage de pression.
Comme il a été dit ci-dessus, certaines applications du cycle suivant l'invention permettent d'utiliser directe- ment des gaz industriels dans le circuit moteur et l'atmos- phère dans le circuit récepteur, supprimant ainsi l'interven- tion de plusieurs échangeurs de chaleur. La Fig. 9 est un diagramme entropique, semblable à la Fig. l, mais où l'isobare supérieure est celle de la pression atmosphérique, ce qui per- met le traitement direct d'un gaz chaud, tel que le gaz pro- venant d'une combustion. Le point de départ de la partie motrice du cycle est alors en A', à partir duquel le gaz chaud, prélevé par exemple à une cheminée, est détendu jus- que B', refroidi jusque C', puis comprimé pour être dégagé à l'atmosphère en D'.
La partie réceptrice du cycle comporte un prélèvement d'air atmosphérique en A, une détente A B, un échauffement B C avec absorption de calories au milieu ambiant, et enfin une compression C D avec restitution de l'air à l'atmosphère en D. Le volume de l'air ayant augmenté de A en C, tandis que le volume du gaz a diminué de A' en C', les points C et C' peuvent être reliés (Fig. 10) par une communication 10 qui sera parcourue par un flux constamment dirigé du circuit récepteur vers le circuit moteur.
Cette disposition joint ainsi à l'avantage de per- mettre l'utilisation directe de gaz brûlés, celui d'assurer au flux de compensation une direction telle qu'il vient di- luer les gaz brûlés, mais laisse intact le gaz de la partie réceptrice.
Le cycle suivant la Fig. 9, de même que ceux repré- sentés sur les diagrammes précédents, peut évidemment être
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réalisé avec opérations étagées comme indiqué plus haut, et avec tous appareils, compresseurs et détendeurs appropriés.
Il est cependant particulièrement avantageux, dans la réalisation des cycles suivant l'invention, d'employer pour effectuer les détentes et les compressions, des appareils rotatifs tels que ceux décrits dans le brevet ? 402.092 du 19 Mars 1934 de l'inventeur, où ces opérations sont réalisées par l'action mutuelle des gaz en phase de détente et en phase de compression sans l'intervention de cloisons matérielles. L'avantage de ces appareils est essentiellement dû à ce que leur utilisation constitue une étape de plus dans la suppression de transmission d'énergie sous forme purement mécanique.
En effet, la transmission d'énergie du circuit moteur au circuit récepteur étant déjà supprimé par la combi- naison des circuits réalisée suivant l'invention, l'emploi des appareils en question permet de supprimer en outre la transmission d'énergie du détendeur au compresseur de chaque circuit.
Les appareils de ce genre comportent généralement un rotor comprenant une couronne de capacités 16 (Fig. 11) séparées entre elles par des cloisons radiales 17, en mouve- ment relatif par rapport à une enveloppe 18. Au cours d'une révolution chaque capacité traverse successivement une zône A B où le gaz qu'elle contient subit une compression et un échauffement, une zône E C où le gaz comprimé et chaud est envoyé dans un échangeur de chaleur 3 et remplacé par du gaz à la même pression, meis refroidi, sortant de l'échangeur 3, une zône C D où le gaz refroidi est détendu et se refroidit davantage, et une zône D A où le gaz détendu est envoyé dans un échangeur de chaleur 4 où il s'échauffe, par exemple aux @
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dépens de l'air ambiant, et est remplacé par le gaz plus chaud,
à la même basse pression, sortant de l'échangeur 4.
Ces appareils sont conçus de manière à permettre l'acte$-on directe du gaz comprimé à détendre pour déplacer et pour comprimer le gaz à traiter, sans intervention d'organes mécaniques.
A cet effet, un distributeur comportant des canaux tels que 19 met successivement en communication les capacités contenant le gaz à détendre qui parcourt l'arc C D, avec cel- les contenant le gaz à traiter qui parcourt l'arc A B, de manière à ce qu'il se crée entre ces deux séries de capacités lorsqu'elles sont à pression voisine, un flux gazeux qui assu- re l'épuisement progressif de la pression de C en D et l'ac- croissement progressif de la pression de A en B; le flux ain- si échangé étant entretenu et guidé de manière à ce qu'il s'interpose comme une cloison gazeuse entre les deux catégo- ries de gaz.
Le flux de gaz de la partie en détente vers la par- tie en compression, même en supposant des appareils parfaits, serait insuffisant pour assurer la compression par suite des variations de volume subies par le gaz dans les échangeurs de chaleur. Le complément est fourni, suivant le brevet N 402.092 du 19 Mars 1934, par un compresseur associé au rotor de l'appareil en vue de rendre variable le volume des capacités pendant les phases à pression constante.
La présente invention donne le moyen de supprimer la nécessité de produire de l'énergie mécanique en vue de compen- ser les variations de volume de gaz. En effet, si l'on réa- lise dans l'appareil qui vient d'être décrit, la suite d'opé- rations formant la partie réceptrice du cycle, et dans un
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appareil semblable les opérations formant la partie motrice de ce cycle, il suffit de relier aux points où les pressions et températures sont voisines, les échangeurs ou tuyauteries à pression constante des circuits ou s'effectuent les opéra- tions thermiques inverses qui engendrent des variations de volume inverses, pour eu'il s'établisse automatiquement un flux gazeux de compensation.
La figure 12 contre l'etablissement d'une telle liaison en 5 et 6 entre deux appareils semblables à celui de la figure 11, mais représentés schématiquement en coupe diamétrale. Ces appareils pris à titre d'exemple sont du type où les flux gazeux circulent dans les capacités paral- lèlement à l'axe de rotation, mais il est évident que d'au- tres types d'appareil peuvent être employés.
Dans un but de simplification les deux appareils peuvent être combinés en un rotor unique à double couronne de capacités (Fig. 13). Le cycle complet est alors réalisé à l'aide d'un seul appareil rotatif et d'échangeurs de cha- leur.
Bien que l'appareil rotatif dont il vient dêtre question convienne particulièrement pour la réalisation éco- nomique du cycle suivant l'invention, il est bien entendu que tous compresseurs et détendeurs appropriés peuvent être employés et que la mise en oeuvre de l'invention sous l'une ou l'autre de ses formes d'exécution, est indépendante du choix des appareils employés pour effectuer les opérations constituant le cycle.