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Moteur à gaz chaud.
L'invention concerne un moteur à gaz chaud à réchauffeur dans lequel pour véhiculer la chaleur, l'agent thermique, donc les gaz brûlés ou le métal fondu, traverse un certain nombre de canaux, branchés en parallèle, dont l'autre extrémité est en contact avec le gaz dans le moteur.
Par moteur à gaz chaud, on entend ici une machine utilisée pour transformer la chaleur en travail mécanique; cette machine comporte un ou plusieurs cylindres fermés par des pistons mobiles.
L'espace ou éventuellement plusieurs espaces communicants au-dessus du piston ou des pistons renferment une certaine quantité de gaz.
Le déplacement du piston dans le cylindre ou les déplacements décalés de deux pistons, modifie levolume de la chambre rempliede gaz. Cette modification du volume de la chambre provoque un déplacement du gaz; celui-ci traverse un réchauffeur et y absorbe une certaine quantité de chaleur. L'accroissement de température qui en résulte provoque une augmentation de la pression et cette augmentation provoque le déplacement de l'un des pistons. Ce déplacement entraîne une augmentation du volume de la chambre située au-dessus du piston, de sorte que le gaz y renfermé se détend et se refroidit. Lorsque le déplacement de ce piston amène ce gaz refroidi en contact avec un radiateur tout en maintenant ce gaz enfermé dans le ou les cylindres, le moteur est dit à cycle fermé.
Un moteur à cycle ouvert ne comporte pas de radiateur; après la détente le gaz s'échappe à l'air libre et avant d'entamer une nouvelle course, le moteur aspire de l'extérieur une nouvelle quantité de gaz.
Cet exposé montre que dans une certaine partie du cycle, le gaz renfermé dans le cylindre vient en contact avec le réchauffeur qui en prélève une certaine quantité de chaleur. Cette chaleur doit être fournie régulièrement au moteur sans qu'il y ait cependant contact direct entre le gaz du moteur et l'agent véhiculant la chaleur. Ce problème comporte plusieurs solutions: une de cellee-ci consiste à utiliser un réchauffeur à tubes dans lequel le gaz du moteur est en contact avec l'une des extrémités de ce tube et l'agent thermique avec l'autre extrémité. En général, cette réalisation requiert un réchauffeur de capacité si grande qu'il y a lieu de répartir l'agent véhiculant la chaleur dans plusieurs tubes parallèles. De tels réchauffeurs à tubes pour moteurs à gaz chaud sont connus.
En général, les éléments véhiculant la chaleur consistent en un jeu de tuyaux droits parallèles disposés de manière que toutes les ouvertures d'entrée se trouvent à l'une des extrémités et que toutes les ouvertures de sortie se trouvent à l'autre extrémité. En général, pour les radiateurs, cetteforme de construction ne présente aucun inconvénient parce
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que les températures utilisées sont assez faibles et les différences de température, assez restreintes. Pour obtenir un rendement thermo-dynamique aussi élevé que possible, il faut quela température maximum du gaz d'un moteur à gaz chaud soit assez élevée. Aussi est-il usuel de chauffer le gaz du moteur jusqu'à 400 C au moins et,dans les moteurs de grande puissance, jusqu'à 700 C.
Ceci implique que la température de la matière du réchauffeur doit au moins pouvoir atteindre ces valeurs sans que la pression élevée dans le moteur ne provoque, à ces températures, des déformations mécaniques permanentes. De plus, dans un réchauffeur tubes, il peut exister de très grandes différences de température entre l'endroit où les tubes passent la paroi du moteur et l'endroit où ils passent de nouveau cette paroi après avoir cédé. de la chaleur au réchauffeur. Ces différences de température peuvent provoquer en certains endroits des tensions importantes dans la matière constituant la paroi du moteur. Commecette paroi supporte en outre la pression exercée par le gaz du moteur, cette tension thermique constitue une charge non négligeable de la paroi.
Suivant la présente invention, on obvie à cet inconvénient par le fait que les parois de l'ouverture d'entrée et de sortie des tubes traversant une paroi voisinent et ce de manier? que la distance de la paroi d'une ouverture d'entrée jusqu'à la paroi de l'ouverture de sortie la plus proche de l'un des tube? réchauffeurs soit au maximum égale à deux fois le diamètre de cette ouverture, respectivement deux fois le diamètre de la plus grande de ces ouvertures. Cette disposition limite au minimum la diffé- rence de température entre ces deux endroits de la paroi du moteur car pour passer, au travers de la paroi, de l'endroit le plu= chaud vers l'endroit plus froid, la chaleur ne doit parcourir qu'un chemin très court.
De ce fait, les tensions mécaniques provoquées par la différence de température, bien qu'elles ne soient pas complè- tement annulées, sont cependant notablement réduites. Il est vrai que ceci provoque une perte de la chaleur dans la paroi, mais, par suite de la réduction de la tension mécanique dans cette paroi, celle-ci peut être plus mince, de sorte qu'elle conduira moins de chaleur de la partie chaude vers la partie froide. De plus, la disposition conforme à l'invention permet de faire en sorte que les parties les plus chaudes de la paroi en contact avec l'agent véhiculant la chaleur soient refroidies par l'agent qui a déjà cédé de la chaleur au réchauffeur.
Par axe de l'ouverture du tube réchauffeur au travers de la paroi du moteur à gaz chaud, on entend ici une droite perpendiculaire à la paroi à l'endroit passant par le centre de gravité de cette ouverture. Pour une ouverture circulaire, c'est évidemment la droite passant par le centre du cercle. Cependant, pour assurer une bonne transmission de la chaleur, la section des tubes réchauffeurs s'écarte bien souvcnt de la. forme circulaire elle est parfois oblongue ou ondulée - ; il faut, que, dans ce cas, on puisse établir un équivalent du diamètre de l'ouverture. Pour de tels tubes, il y lieu d'entendre dans la présente invention par diamètre, le diamètre hydraulique ou hydrodynamique. Ce dernier est égal à les expression dans laquelle S est la surface et U le périmètre de cette ouverture.
Dans le cas où la section de l'ouverture d'entrée des tubes réchauffeurs n'est pas égale à celle de l'ouverture de sortie, par exemple lorsaue la transmission de chaleur s'effectue à l'aide de vapeur aui se condense, l'ouverture d'entrée doit être beaucoup plus grande que l'ouverture de sortie; il faut alors que la distance entre les parois soit au maximum égale à trois fois le diamètre de la. plus grande ouverture.
Il va de soi que l'ouverture d'entrée et qu'une ouverture de sortie spécifiées ne doivent pas nécessairement appartenir au même tube réchauffeur. L'effet envisagé par l'invention est
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aussi assuré lorsque l'écart mentionné existe entre l'ouverture d'entrée d'un tube et l'ouverture de sortied'un autre tube; l'écart entre l'ouverture d'entrée et l'ouverture de sortied'un même tube peut alors être plus grand.
La description du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les partiçularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de ladite invention.
La fig. 1 montre un moteur à gaz chaud, dont le réchauffeur comporte plusieurs tubes en forme d'U.
La fig. 2 montre un moteur dont le réchauffeur consiste en de simples tubes fermés à l'une de leurs extrémités et munis d'une cloison.
La fig. 3 montre en plan la paroi du moteur perforée pour permettre le passage des tubes du réchauffeur.
. Sur la fig. 1, 10 est le cylindre d'un moteur à gaz chaud; c'est donc la partie renfermant le gaz à température élevée, c'est-à-dire la chambre chaude. Par son déplacement, le balayeur 11 chasse le gaz de cette partie du cylindre de la partie chaude au travers d'un réchauffeur, d'un régénérateur et d'un radiateur vers la partie froide. La chambre chaude 10 est en communication permanente avec le réchauffeur 12. Ce réchauffeur est exécuté sous forme de réchauffeur à tubes. Un agent véhiculant la chaleur, par exemple les gaz brûlés d'un foyer ou d'un brûleur, un liquide ou un métal liquide chauffé par une source indépendante est amené par une conduite d'alimentation dans le canal répartiteur annulaire 15.
Sur ce canal répartiteur 15 sont branchés un grand nombre de tubes 13, en forme d'U, disposés autour de la chambre chaude 10. Les autres extrémités de ces tubes débouchent dans un autre canal collecteur, dans lequel s'amasse l'agent thermique qui dans le réchauffeur,a cédé de la chaleur au gaz du moteur et de là par un tube d'évacuation, cet agent est soit évacué soit conduit à une source indépendante pour être de nouveau chauffé.
L'écartement entre ces tubes 13, en forme d'U, et leur montage sont tels que les gaz passent dans le réchauffeur sans rencontrer de trop grande perte de charge, tout en ayant un contact suffisant avec les parois du tube pour assurer un bon chauf- rage.. Cette distance entre les tubes e-t déterminée par la vitesse du gaz et par la quantité de chaleur à transmettre. Cependant, quelle que soit la distance entre les tubes, les branches de l'U sont pliées de manière qu'à l'endroit où ces tubes traversent la paroi 19 du moteur, ils se trouvent aussi près l'un de l'autre que le permet la construction.
Si les deux branches de ce tuyau en forme de U doivent passer dans la paroi 19 à travers des ouvertures différentes 16 et 17, il faut qu'il subsiste entre ces ouvertures de la matière en suffisance pour permettre la fixation hermétique des tubes. Cette condition fixe donc une valeur minimum à la distance d'axe en axe des deux ouvertures 16 et 17. La partie du tube qui traverse l'ouverture 17 se trouve cependant à une tem- pérature très élevée, car elle est traversée par l'agent véhiculant la chaleur,agent qui n'a pas encore cédéde la chaleur dans le réchauffeur. Par contre, le passage par l'ouverture 16 dans cette même paroi s'effectue à une température notablement plus basse, parce que l'agent qui la traverse a déjà cédé une certaine partie de sa. chaleur au gaz du moteur.
Sans transmission de chaleur, la température de la paroi du moteur serait notablement plus élevée à proximité des ouvertures 17 qu'à proximité des ouvertures 16. De ce fait, entre ces ouvertures la paroi subirait une tension mécanique attribuable à la différence de dilatation entre les deux parties de cette paroi. Cette tension mécanique, ajoutée à la tension provoquée dans la matière par la pression du gaz dans le moteur, né- cessiterait, du moins localement, une paroi plus épaisse. Si les ouvertures 16 et 17 se trouvent près l'une de l'a.utre, la chaleur @ --
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est facilement conduite, au trîvcrs de la paroi, de'3 ouv"1"tur"'s 17 vers les ouvertures 16.
Ce flux de chai fur diminur la dif''r^nce de tampératurp entn les deux endroits, dr sorte* que la tension mécanique d?ns cette partis diminue fortement et entre ce" cuve'rtures, la paroi peut être plus mince que dtns le cas d'ouv"rtur('s plus écartées.
Le moteur à, gaz chaud r(pr,rEnt,' sur la fj g. .'. est, en grands partie, identique à c--lui r8prsont,.( sur la fi.g. 1; les parties correspondantes <ont indiquée? par le- m0r.es chiffras. Le réchauffeur 12 n'affecte cependant pas la forme d'un tutJ en forme d'U, mais bien celle d'une simple cuve 2C, ferre à l'unr de sps extrémités et divisée en deux compartiments sur une partie de sa
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longueur par une cloison ='1. L'agent véhiculant la chaleur s'±couIn du canal accumulateur annulair" lz, le long d'un coté d la cloison 21 vers le bas. A proximité de la. partie inférieure de la cuve, la cloison 21 est interrompue de sort''' que cette partie faitoffice de communication entre les deux compartiments dr la cuve 20. De l'autrecôte de la cloison,l'agent s'élève jusque dans le collec-
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tcur annulaire 15.
La traversée de la cuve 2G dans la paroi 18 du moteur, ne requiert qu'unn sule ouverture:. dn section égole à celle de la cuve. Cette ouverture doit cependant être considérée comme deux ouvertures juxtapo sées, l'une pour l'alimentation et l'autre
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pour l'évacuation. L';cart!I1.lJnt entre ces ouvertures est gal 1 la somme du rayon de la partie de gauche et de celui de la partie de droite de la cuve 'G. Lorsque cette cuve est constitupe par un tube rond fermé à l'une de ses 0xtrfmit6s et munie d'une cloison di"'1l1é- trale, il suffit de forer dans la paroi 20 une simple ouverture circulaire. L'ouverturs d'entrée et l'ouverture de sortie de l'agent véhiculant la chaleur sont juxtaposées ce qui assure un bon nivel-
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lement d la température.
L'écsrtenent entre l'ouverture d'entrée et l'ouverture ds sortie, calcul-' suivant la présente invwntion, peut êtr(" fixé comme suit. Soit D le diamètre du tube !-'C. La surface dr l'ouverture d'entrie, respectivement de l'ouverture de sortie est de oye D2 -. La périphérie de chacune des ouvertures ;qt 8 égale à D + tG D . Le diamètre hydro-dynamioue de. chacune does ou- 2
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vcrtures est égal à D ( t(, ), c'est donc aussi la di.st!1nco entre 2 +#
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les axes des ouvertures. Cette valeur est approx:fm8tivcc'nt de G,6 D, donc inférieure à @ D.
La. forme de la section de^-. tubes réchauffeurs u-upls importe peu pour l'application et l'effet de l'invention. outre., la forme longitudinale des tubes réchauffeurs importe peu pour l'application de l'invention. Cependant, pour le montage du tube 13 il faut tenir compte du sensde circulation du gaz. @n effet, pour que le gaz du moteur soit port! à une température aussi élevée que possible, il faut que l'agent véhiculant la chalcur lèche la
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branche du tube en forme dc U portée à la temp0r,'ture maximum après avoir passé la branche qui se trouve 3 la température plus basse.
Aussi,dans les formes d'exécution données, l'agent véhiculant la chaleur est introduit dans le canal répartiteur annulaire 15 et de là il est conduit vers la branche du tube 13, dirigée vers la chambre chaude. L'agent véhiculant la chaleur qui est évacué par l'autre branche vers le canal collecteur 14 a déjà cédé de la chaleur dans la. première branche mentionnée et se trouvera donc à une température plus basse. L'agent conduitvers la chambre chaude 1C dans le moteur léchera en dernier lieu la branche dirigée vers la chambre chaude.
La fig. 3 est une vue en plan d'une paroi d'un moteur à gaz chaud percée d'ouvertures pour le passage des tubes rchauf- feurs. Les tubes sont représentes en pointillés afin de montrer leur position par rapport à la chambre dans le cylindre. Les ouvertures d'entrée 24 et les ouvertures de sorti25 sont disposées de manière que la distance minimum 23 entre une ouverture d'entrée
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et une ouverture de sortie soit inférieure à trois fois le diamètre de l'une de ces ouvertures. Ces ouvertures qui sont écartées de la distance requise n'appartiennent pas au même tube réchauffeur 13, mais à des tubes différents. Ceci assure néanmoins l'effet envisagé, à savoir la diminution des différences de température.