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PROCEDE DE SATURATION DE L'AIR COMPRIME PAIE UNE
TRANSMISSION PNEUMATIQUE DE MOUVEMENT
Il est déjà connu d'utiliser comme mode de transmission du mouvement d'un moteur, en particulier d'un moteur Diesel, un ensem- ble constitué par un compresseur entratné par le moteur et par des cylindres récepteurs, dans lesquels l'air comprimé par le compresseur agit comme fluide moteur. Il est particulièrement prévu d'utiliser ce mode de transmission pour les locomotives.
Mais il est avantageux et même indispensable dans le cas des grandes puissances, pour que la détente de l'air comprimé puisse s'effectuer sans inconvénient et sans que la température de l'air
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détendu s'abaisse de trop, de mélanger à l'air de la vapeur d'eau qui, en se condensant, restitue sa chaleur de vaporisation et dimi- nue ainsi l'abaissement de la température de l'air détendu.
.La présente invention a pour objet un procédé qui permet d'obtenir un fluide moteur dans un état thermodynamique prédétermi- né, c'est-à-dire ayant une pression, une température et une teneur en vapeur déterminées.
La constance de cet état thermodynamique ou plutôt la varia- tion de cet état en fonction des conditions de charge du moteur dans lequel le fluide agit est une condition essentielle du bon fonc- tionnement de l'ensemble de l'installation.
Le cycle thermique du fluide moteur comportant une ou plu- sieurs phases de compression, l'invention consiste essentiellement à admettre dans l'un des étages de compression un mélange d'air et de vapeur, de titre, de température et de pression sensiblement dé- terminées; ce mélange est ensuite comprimé jusqu'à une pression déterminée et un débit d'eau ou de vapeur d'eau proportionnel à son propre débit y est éventuellement injecté. Il en résulte que le mé- lange final a bien ainsi qu'il est désiré, un titre, une température et naturellement une pression déterminée.
.Le moyen le plus simple, plus particulièrement, quoique non exclusivement prévu consiste à exécuter ce procédé dès le début du cycle c'est-à-dire à échauffer l'air aspiré dans l'atmosphère, des- tiné à alimenter le premier étage de compression à une température déterminée par des moyens thermostatiques; cet air contient une fai- ble proportion de vapeur d'eau naturelle dont les variations sont suffisamment faibles pour que le titre final du mélange après les compressions et injections diverses constituant le cycle puisse être considéré comme constant.
Etant donné l'état initial du fluide: air ambiant à une tem,.. pérature déterminée, et l'état final : fluideaune température et une pression assez élevée et ayant un titre en vapeur qui d'après l'expérience doit être voisin de 10 %, il existe plusieurs cycles #
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thermiques permettant de passer de l'état initial à l'état final.
Il est particulièrement prévu conformément à l'invention d'adopter un cycle comportant deux compressions amenant le fluide à une température et une pression déterminées, chacune de ces compres- sions étant précédée d'une injection d'eau de débit déterminé; la température de l'air aux points où ont lieu ces injections, et les débits injectés étant tels que cette eau se vaporise rapidement, et abaisse ainsi la température du mélange.
Un tel cycle permet d'obtenir pour le fluide un abaissement de sa température avant les compressions qui est favorable au bon fonctionnement des compresseurs, d'autre part, la chaleur dégagée par les compressions est utilisée pour la vaporisation de l'eau in- jectée.
Il vient d'être question d'un cycle à deux étages de compres- sion mais ceci d'une manière nullement limitative, la compression totale pouvant être obtenue en une seule phase ou en plus de deux phases, chacune des phases étant de préférence précédée d'une injec- tion d'eau.
Au début du cycle, le réchauffage à une température détermi- née de l'air ambiant est obtenu de préférence par échange de chaleur avec les gaz d'éohappement, l'équilibre existant entre le volume des gaz d'échappement et le débit d'air aspiré pendant les variations de puissance de la machine apportant une première régulation naturelle à ce réchauffage.
Mais les différents facteurs de l'échange thermique, tempéra- ture et débit des gaz d'échappement étant variables, il est prévu de stabiliser avec plus de précision la température de l'air réchauf- fépar des moyens thermostatiques,
Il est particulièrement prévu parmi cesmoyens de disposer sur le parcours de l'air chaud immédiatement en aval du dispo si tif de réchauffage par les gaz d'échappement une arrivée d'air frais dont le débit est contrôlé par un thermostat (qui commande une vanne ou un papillon obstruant variablement cette arrivée d'air frais), ledit
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thermostat étant soumis à la température du mélange d'air ainsi ob- tenu, température prise en un point en aval de l'arrivée d'air frais ou le mélange d'air chaud et d'air frais est complètement effectué.
L'air frais d'appoint, au lieu d'être aspiré dans l'atmos- phère ambiante peut provenir du refoulement de l'air des radiateurs de la locomotive.
Le dispositif thermostatique est conçu de telle sorte que si la température du mélange tend à augmenter il ouvre la vanne ou le papillon et permet ainsi l'introduction d'une plus forte proportion d'air frais qui abaisse la température du mélange.
Dans un autre mode d'exécution du procédé, la stabilisation de la température de l'air est obtenue par un thermostat qui fait varier le débit des gaz d'échappement traversant le réchauffeur d'air, une partie de ces gaz étant ainsi éventuellement rejetée à l'atmosphère sans passer dans cet échangeur.
Le thermostat est alors conçu pour ouvrir la vanne ou le pa- pillon libérant les gaz d'échappement quand la température de l'air réchauffé tend à monter, Bien entendu les deux modes indiqués de stabilisation de la température de l'air peuvent être utilisés tous deux en combinaison.
Dans certains cas, notamment quand la température des gaz d'échappement est très variable, le réchauffage de l'air peut être obtenu dans un accumulateur thermique chauffé par les gaz d'échap- pement qui rend possible le réchauffage de l'air à une température convenable, même pendant les périodes de basse température d'échap- pement.
Quel que soit le mode de stabilisation de la température de l'air, dès après cette stabilisation, le cycle commence par l'in- jection d'un déhit d'eau déterminé proportionnel au débit d'air.
Etant donné la température de l'air cette eau est vaporisée et la température abaissée à une valeur déterminée.
La première compression qui suit, porte le mélange à une température plus élevée, également déterminée.
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La seconde injection d'eau, dont le débit déterminé, est pro- portionnel au débit d'air, a lieu et la vaporisation de cette eau abaisse à nouveau la température à une valeur déterminée.
Le mélange est alors comprimé une seconde fois et amené ainsi à l'état final dont les caractéristiques: température, pres- sion, et titre sont également déterminés.
Des chiffres caractérisant un cycle convenable seront don- nés plus loin.
L'obtention finale d'un mélange de température et de titre bien déterminés due au procédé ci-dessus exposé permet une marche régulière de la machine. L'ensemble du dispositif de production du mélange (groupe moteur-compresseur, réohauffeur, pompe d'injection d'eau) est complètement harmonieux c'est-à-dire que chacun de ses éléments fonctionne toujours dans des conditions convenables pour fournir un débit du mélange de titre et température déterminés cor- respondant à la demande des cylindres moteurs.
Bien entendu l'état final du mélange c'est-à-dire sa tempé- rature et son titre peuvent ne pas être constants, mais, grâce à l'application du procédé, ils peuvent être prédéterminés à l'avance, en fonction de la température de l'air admis et des débits d'eau injectés. il a été prévu d'injecter avant les deux compressions de l'eau liquide dont la vaporisation abaisse la température du mélange.
Mais il n'est pas exclu de l'invention d'injecter, en outre, de la vapeur produite dans un générateur approprié, de préférence, mais non exclusivement, chauffé par les gaz d'échappement du Diesel. Bien entendu, le débit de vapeur ainsi injecté est contrôlé par tous moyens appropriés de façon à rester proportionnel au débit d'air.
Il est prévu conformément à l'invention dans le cas d'appli- cation à une locomotive d'utiliser le mélange air-vapeur obtenu, non seulement pour la traction, mais aussi pour le chauffage des wagons.
La présence de vapeur d'eau dans le fluide moteur permet #
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d'allonger et de mieux utiliser la détente et cette détente peut être d'autant plus poussée que la température ou la teneur en vapeur du fluide admis dans les cylindres locomoteurs sont plus élevées.
On a donc intérêt d'une manière générale à augmenter la température de l'air comprimé dans les limites compatibles avec le bon fonction- nement des compresseurs, afin de le rendre capable de vaporiser une quantité d'eau aussi grande que possible.
On a donc prévu diverses dispositions permettant ce réchauf- fage, en combinaison avec celles permettant la détermination de la température du mélange.
Elles consistent d'une manière générale en des combinaisons d'éléments réchauffeurs et d'éléments saturateurs convenablement pla- cés dans le circuit du fluide, les éléments réchauffeurs permettant une injection d'eau et une vaporisation plus forte dans les éléments saturateurs placés en aval.
Il est prévu d'utiliser comme fluide chauffant les gaz d'é- chappement du moteur, mais il n'est pas exclu de l'invention d'uti- liser toutes autres sources de chaleur dans les dits éléments réchauf- feurs tels en particulier que des brûleurs.
Il vient d'être question d'éléments réchauffeurs et d'élé- ments saturateurs. Bien entendu il est possible de remplacer la jux- taposition de deux tels éléments par un élément unique remplissant les deux fonctions envisagées. Un tel réohauffeur saturateur peut être constitué par la combinaison avec un dispositif échangeur de chaleur quelconque d'un dispositif permettant le mélange d'eau avec l'air comprimé, ce mélange pouvant avoir lieu par injection, en pluie, ou par barbottage. On peut d'ailleurs injecter juste la quan- tité d'eau suffisante, ou au contraire une quantité excessive, l'ex- cès étant récupéré dans le dit saturateur et renvoyé au dispositif de mélange.
Dans une autre variante, on peut remplacer un saturateur opé- rant un refroidissement de l'air et une augmentation de la teneur en vapeur par deux dispositifs réalisant successivement ces deux opé-
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rations, à savoir un refroidisseur et un injecteur de vapeur d'eau, cette vapeur étant produite par exemple en utilisant la chaleur des gaz d'échappement du moteur.
Il est prévu aussi de fixer à une valeur déterminée la tem- pérature du fluide en provoquant en un point du circuit le mélange de deux courants de ce fluide à des températures différentes et en faisant varier la proportion des deux débits au moyen d'une vanne ou de tout autre dispositif semblable commandé au moyen d'un dis- positif thermo statique par la température du fluide en un point aval du point de mélange.
Ce moyen de détermination qu'on a prévu plus haut au début du cycle de réchauffage peut être utilisé en tous autres points du cycle de réchauffage.
La description qui va suivre, en regard des dessins annexés, lesquels description et dessins sont uniquement donnés à titre d'exemples, fera bien comprendre comment on peut réaliser l'inven- tion.
La figure 1 montre schématiquement une forme de réalisation et les figures 2, 3, 4, 5, 6 et 7 représentent six s.chémas de va- riantes.
Sur la figure 1, 1 représente le moteur Diesel, 2 le réohauf- feur d'air, 3 le groupe compresseur comprenant deux cylindres BP, 4 et 5 et un cylindre HP, 6; les pompes d'injection d'eau sont re- présentées en 7, elles envoient l'eau dans les enceintes, 8 et 9, dites saturateurs, 10 représente le reoeiver où est admis le mélange final, d'où il est envoyé dans les cylindres moteurs 19.
Pour fixer les idées les températures et teneurs en vapeur du mélange vont être indiquées ci-après, elles correspondent à un cycle de réchauffage réel, mais ne sont nullement limitatives.
L'air extérieur est aspiré dans le réchauffeur 2 par des filtres 11, ce réchauffeur est parcouru par les gaz d'échappement du moteur 1, qui y sont amenés par la tubulure 12.
Les gaz d'échappement sont à une température voisine de 400 ,
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ils échauffent l'air à une température minimum de 120 .
Si la température de cet ai r sortant du réchauffeur 2 est supérieure à 120 , une certaine proportion d'air frais est admis par la tubulure 13. Cet air frais est filtré au moyen d'un filtre 13 bis.
Cette quantité d'air est réglée au moyen de la vanne 14 pour que la température du mélange soit 120 et cela au moyen d'un dis- positif thermo statique 15, de tout type approprié, soumis à la tem- pérature de ce mélange en un point 16, où ce mélange est complète- ment achevé.
En aval de la tubulure 13 d'arrivée d'air frais sont dispo- sées des chicanes 17 et un mélangeur rotatif 18, le tout destiné au brassage du mélange. Le point 16 de prise de température est en aval de ces dispositifs de brassage.
L'air à 120 est amené dans l'enceinte 8 dite pré-saturateur, dans laquelle les pompes 7 injectent de l'eau finement pulvérisée (dans une propo rtion de 3 % du débit d'air) qui se .transforme en vapeur, et abaisse la température à 45 C.
L'air à 45 ainsi chargé de vapeur est aspiré dans les cylin- dres BP, 4 et 5 qui le compriment à 4,7 atmosphères absolues et por- tent sa température à 210 .
.Le mélange d'air et de vapeur, après cette première compres- sion est envoyé dans le saturateur 9 dans lequel l'eau injectée par les pompes 7 augmente la teneur en vapeur de 5 %.
Cette injection ramène la température à 100 C environ.
.Le mélange ainsi obtenu à 100 C et 4,70 atmosphères absolues est admis dans le cylindre BP6qui le comprime à 16 atmosphères ab- solues et porte sa température à 230 .
Ce mélange d'air plus 8 % devapeur (plus humidité naturelle) arrive au receiver 10 d'où il est envoyé aux cylindres moteurs 19 de la locomotive.
Bien entendu des variantes de détail peuvent être introduites telles que celles déjà mentionnées: le réglage de la température de
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l'air au moyen d'une variation thermostatique des gaz d'échappement admis au réchauffeur 2, la vaporisation, au moyen de générateurs appropriés, de l'eau refoulée par les pompes 7, avant que cette eau atteigne les saturateurs 8 et 9. Cette variante aurait pour effet une diminution de température beaucoup moins forte dans ces encein- tes. Mais de toute manière le principe de la prédétermination de l'état final du mélange grâce à la fixation des conditions initiales et des compressions et injections durant le cycle reste le même.
Dans les figures z à 7, les lettres 8 désignent des satura- teurs, R des réchauffeurs, B les cylindres basse pression du compres- seur et H les cylindres haute pression. Les mêmes chiffres de réfé- rance désignent les mêmes éléments dans les diverses figures.
La figure 2 représente une disposition semblable à celle dé- crite en référence la figure 1, à laquelle sont ajoutés un satura- teur et un réchauffeur en aval du cylindre haute pression.
2 désigne le réchauffeur au début du cycle traversé seule- ment par une fraction arrivant par la conduite 13 à la vanne de ré- glage 14 commandée par le dispositif thermostatique 15 suivant les variations de la température du fluide en 16. 4 est le cylindre basse pression, 9 un saturateur, 6 le cylindre haute pression.
Le mélange qui a été réchauffé pendant la compression en 6 peut vaporiser de l'eau; on prévoit donc le saturateur 20 qui abais- se la température du mélange, qui est relevée par le réchauffeur 21.
En 10 est figuré le receiver du fluide moteur, et en 19 les cylindres locomoteurs.
La figure 5 représente une variante de la figure 2 dans la- quelle le cylindre B.P. 4 aspire directement dans l'atmosphère et où la détermination de la température du fluide est faite à la fin du cycle. A cet effet une dérivation 22 est prévue en parallèle avec le réchauffeur 21 et au point de rejonction de la conduite princi- pale 25 et de la dérivation 22 est prévue la vanne 14 placée sous la dépendance de la température du fluide au point 16 par l'inter- médiaire du dispositif 15.
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Dans la variante de la figure 4, on prévoit entre les cy- lindres B.P. 4 et H.P. 6 non seulement le saturateur 9, mais un réchauffeur 24 suivi d'un autre saturateur 25.
La détermination de la température peut être obtenue soit comme dans la figure 2 en amont du groupe compresseur, soit comme dans la figure 3 en aval.
La disposition dé la figure 4 permet une injection d'eau plus forte entre les cylindres B.P. et H.P. Ce résultat peut être obtenu comme indiqué figure 5, dans laquelle un réchauffeur 26 est placé immédiatement après le cylindre B.P. 4, ce qui permet d'in- jecter dans le saturateur 27, qui le suit, une quantité d'eau plus grande que dans le saturateur 9.
La détermination de la température peut aussi avoir lieu entre les cylindres B.P. et H.P. comme indiqué figures 6 et 7.
Dans la figure 6, une dérivation 28 est en parallèle avec le réchauffeur 26 et le saturateur 27, la vanne 14, commandée par la température du fluide au point 16 par l'intermédiaire du dispo- sitif 15, étant prévue au point de rejonction de la dérivation 28 avec la conduite principale 23. Il est éventuellement prévu de dis- poser sur la dérivation 28 un saturateur 29 représenté en pointillé.
Dans la figure 7 c'est seulement le réchauffeur 26 qui est mis en parallèle avec la dérivation 30, et la détermination de la température est faite au moyen des mêmes éléments 14,15 et 16.
Bien entendu, les dispositions prévues peuvent être combi- nées entre elles, de toutes manières appropriées sans pour cela sortir du cadre de l'invention.
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