<Desc/Clms Page number 1>
Machine dans laquelle un fluide gazeux de composition chimique invariable décrit un cycle thermodynamique fermé.
L'invention concerne une machine dans laquelle un fluide gazeux de composition chimique invariable, appelé fluide moteur, décrit un cycle thermodynamique fermée ce fluide étant comprimé puis détendu à des températures différentes. Cette machine comporte un dispositif qui fournit de l'énergie thermi- que au fluide moteur ou qui prélève de l'énergie thermique de ce fluide. Ce sont, par exemple, des moteurs à gaz chaud, des machines frigorifiques travaillant suivant le principe inverse de celui du moteur à gaz chaud et des turbines à air chaud dans lesquelles la compression et la détente s'effectuent dans des dispositifs rotatifs. Dans toutes ces machines, il faut, en des endroits déterminés, fournir au fluide moteur de l'énergie thermi-
<Desc/Clms Page number 2>
ou en prélever.
En pratique, cette fourniture et ce prélèvement de chaleur suscitent bien souvent des difficultés, en particulier lorsque la machine en question est d'assez grande puissance. Dans les machines de faible puissance, il suffit en général, d'échan- geurs de chaleur (réchauffeurs et réfrigérants); le transfert de chaleur de ou vers la machine s'effectue alors sans plus à travers la paroi de la machine. A cet effet, cette paroi est réalisée aux endroits nécessaires, d'une manière spéciale ; elle comporte par exe;nple des saillies.
Dans les machines de plus grande puissance, par exemple les machines fournissant ou absor- bant 50 à 100 C.V., la construction précitée suscite déjà de sérieux inconvénients qui résultent entre autres du fait que l'épaisseur de la paroi de la machine augmente et que la chute de température dans cette paroi est donc plus grande. Si les ma- chines sont plus puissantes encore, par exemple de l'ordre de
500 C.V., il n'est pratiquement plus possible de réaliser les changeurs de chaleur de la manière dècrite et il faut recourir à des échangeurs de construction spéciale.
Dans la turbine dite à air chaud, il est déjà connu de fournir la chaleur à l'aide d'un fluide intermédiaire. Ce fluide intermédiaire est chauffé à l'aide d'une source thermique, et en un autreendroit, il cède la chaleur absorbéeau fluide moteur. Dans cette forme d'exécution, le fluide moteur circule (. dans un système tubulaire, monté dans une cuve. A l'endroitoù se trouvent les tubes remplis de fluide moteur, cette cuve contient le fluide intermédiaire. En outre, on déjà proposé d'utiliser dans un moteur à air chauo. un fluide intermédiaire qui transfère la chaleur d'une source placée hors du moteur, au fluide moteur .
Un système de tubulures conduit alors le fluide intermédiaire de la source chr.ude vers le fluide moteur et inversement.
La présente invention fournit des moyens qui améliorent notablement le mode de transfert, décrit ci-dessus, de l'énergie thermique. Le machine conforme à l'invention présente la particu-
<Desc/Clms Page number 3>
larité que le dispositif qui fournit ou prélevé l'énergie ther- mique au fluide moteur, comporte un certain nombre de systèmes creux, traversant hermétiquement et indépendamment la paroi de la machine, chacun de ces systèmes contenant une quantité déter- minée du fluide intermédiaire servant au transfert de la chaleur .
Comparativement à la construction décrite ci-dessus, la machine conforme à l'invention offre un sérieux avantage: dans l'étude des échangeurs de chaleur, on dispose d'une plus grande liberté pour le montage des divers organes. En effet, dans les formes de construction connues, les diverses parties du système tubulaire doivent toujours former un ensemble, de sorte que certaines parties de l'échangeur se trouvent précisément en des endroits où, pour une raison ou une autre, il serait préférable qu'elles ne se trouvent pas. En pratique, cette construction connue entraîne parfois une augmentation inévitable de l'espace nuisible, et donc des conséquences dcsagréables, par exemple en ce qui concerne la puissance spécifique de la machine.
La forme de construction connue présente un autre inconvénient: lorsque, pour une cause quelconque, la cuve ou le système tubulaire renfer- mant le fluide intermédiaire présente une fuite, la quantité; to- tale du fluide s'échappe et pour que la machine redevienne uti- lisable, il faut d'abord rendre la cuve hermétique et la rem- plir de fluide intermédiaire. Pendant ce temps, la machine est irrémédiablement en panne. S'il se produit une fuite dans l'un des systèmes de la machine conforme à l'invention, la quantité de fluide intermédiaire qui s'échappe est très petite et de plus, en général, malgré cette fuite, la machine peut continuer à fonctionner jusqu'au moment où l'on disposera du temps néces- saire pour procéder à la réparation.
La construction conforme à l'invention permet d'adap- ter les systèmes aux besoins de la machine. Dans une forme d'exécution très simple de l'invention chacun des systèmes est
<Desc/Clms Page number 4>
constitué par un tube droit, incurvé ou plie, fermé à. ses deux extrémités. Cette forme d'exécution offre un sérieux avantage: les éléments d'un tel échangeur de chaleur se prêtent à la fabri- cation en série.
L'intérieur des systèmes est réalisé suivant le fluide intermédiaire à utiliser. Si le fluide intermédiaire est une substance qui se vaporise à l'endroit où on lui fournit de l'énergie thermique et qui se condense à l'endroit où on en prélève cette énergie thermique, des dispositions intérieures spéciales pour assurer la circulation du fluide seront, en général, superflues.
Par contre, si le fluide intermédiaire se trouve toujours à l'état liquide, suivant l'invention, l'intérieur de chacun des systèmes peut être réalisé de manière qu'il soit subdivisE:, par exemple par une ou plusieurs cloisons, en compar- timents qui communiquent localement. De cette manière, dans un tel système, par suite de la fourniture et de l'évacuation de chaleur en des endroits différents, le fluide intermédiaire est soumis à un effet dit de thermosiphon.
Dans une autre forme d'exécution de la machine conforme à l'invention, chacun des systèmes est constitué par un tube sans fin, tube qui se trouve partiellement dans la machine et partiel- lement hors de celle-ci. Cette forme d'exécution est intéressante par exemple dans le cas où la machine constitue un moLeur à gaz chaud dont les parties à chauffer se trouvent à la partie supé- rieure et dans laquelle on désire éviter le fonctionnement du haut vers le bas des brûleurs.
Comme il a déjà été mentionné, la présente invention assure une grande liberté pour la disposition des divers systèmes ta.nt à l'intérieur qu'à l'extérieur de la machine. C'est ainsi que, dans une forme d'exécution avantageuse de la machine con- forme à l'invention, les parties des systèmes se trouvant à l'intérieur de la machine, entourent l'une des chambres du fluide
<Desc/Clms Page number 5>
moteur. Dans le cas d'une machine utilisée pour transformer l'énergie thermique en énergie mécanique, suivant une forme d'execution avantageuse de l'invention, les parties des éléments se trouvant à l'extérieur de la machine, peuvent constituer en- semble une ou plusieurs des parois du foyer.
On tire ainsi tout le parti possible de la chaleur rayonnée par la source chaude, et on élimine les difficultés que suscite généralement la cons- truction des parois du foyer sans que ceci empêche une charge de chauffe très élevée. Dans cette forme de réalisation, sui- vant un autre mode d'exécution de l'invention, il est recom- mandable de disperser les parties des systèmes se trouvant à l'extérieur de la machine de manière telle que, vues à partir de la source de chaleur, elles constituent une paroi fermée.
L'avantage d'une charge de foyer très élevée, est particulièrement intéressante pour les grosses installations, c'est-à-dire non seulement les moteurs à gaz chaud, mais aussi les turbines à gaz chaud à cycle fermé', par exemple les turbines à airchaud.
En général les parties des systèmes qui doivent ab- sorber de la chaleur ou en céder, seront munies, de manière con- nue, de moyens qui en augmentent la surface, par exemple des ner- vures, des ailettes, etc.
La description du dessin annexe, donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du texte que du dessin faisant, bien entendu, partie de l'invention.
La fig. 1 montre, en coupe longitudinale, une première forme d'exécution de la machine constituée par un moteur à gaz chaud; la fig. 2 montre une coupe transversale de cette machine, suivant le plan II-II de la fig. 1. Cette machine comporte une tête 1, dans laquelle est montée une chemise 2. Dans cette che- mise se déplace le piston 3, qui comporte, à sa partie supérieure,
<Desc/Clms Page number 6>
des gorges 4 pour les segments 5. Dans 1* espace 6 compris entre la partie cylindrique de la tête 1 et la chemise 2 sont logés des systèmes réchauffeurs 7, dont la fig. 1 en représente deux en coupe, et un certain nombre en élévation. L'espace 6 est fermé à sa partie supérieure, par un récupérateur constitué par du fil.
Dans cette forme d'exécution, le réchauffeur est donc constitué par un certain nombre de systèmes creux indépendants, qui traversent hermétiquement en 9 la surface supérieure de la tête 1. Chacun de ces systèmes contient une quantité déterminée de fluide intermédiaire 10, servent à véhiculer la. chaleur. Les parties des systèmes extérieures au moteur qui, pour augmenter la surface de captation de chaleur, sont munies de nervures, sont chauffées par un brûleur annulaire 11; on chauffe donc ainsi le fluide intermédiaire de chacun des systèmes 7. Dans la tête 1 du moteur, ce fluide intermédiaire cède sa chaleur au fluide moteur, par exemple l'air, contenu dans l'espace 6.
Dans cette forme d'exacution, le fluide 10 passe entièrement ou partielle- ment de l'état liquide à l'état de vapeur et se condense à l'ex- trémité supérieure des systèmes 7. A cet effet, on peut aussi utiliser par exemple des métaux, des alliages métalliques, des sels métalliques ou un mélange de sels, ces substances devant évidemment répondre à des conditions déterminées: elles ne se décomposeront pas aux températures utilisées, elles n'attaque- ront pas la matière des systèmes, leur pression de vapeur sera faible, etc.
Comme métaux, on utilisera par exemple, du sodium, du potassium, du cadmium, du césium, du zinc et du plomb; comme sels métalliques, on utilisera par exemple du chlorurede zinc, du bromure d'aluminium, de l'iodure de cadmium, de l'iodurede calcium, du bromure de zinc ou des mélanges de ces composés; on peut aussi utiliser des nitrates, des nitrures, ou des mélanges de ces composés.
<Desc/Clms Page number 7>
Il va sans dire que la forme de construction repré- sentée sur cette figure laisse une grande liberté dans l'étude du réchauffeur. En cas de besoin on peut, comme le montrent les figs. 5 et 6, donner aux systèmes 7 une forme incurvée ou coudée, ce qui laisse une grande liberté dans la, disposition de la sour- ce de chaleur par rapport au moteur. En outre, une fuite éventuelle dans l'un des systèmes 7 entraîne uniquement la perte du fluide intermédiaire qui se trouve dans ce système et de plus, 'le mo- teur peut rester en service jusqu'au moment où l'on disposera du temps nécessaire pour procéder au remplacement de l'organe défectueux.
Les figs. 3 et 4 montrent une seconde réalisation, conforme à l'invention, de la machine, ici aussi représentée sous forme de moteur; la partie dessinée du moteur proprement dit est pratiquement identique à celle représentée sur les figs. 1 et 2, avec cette différence cependant que, dans la forme de construction montrée sur les figs. 3 et 4, la partie à chauf- fer du moteur se trouve au sommet de celui-ci. Dans cette forme d'exécution aussi, l'espace 21 compris entre la partie cy- lindrique de la tête 22 du moteur et la chemise 23 renferme des systèmes 24 constitues par des tubes fermés sur eux-mêmes. Ces tubes sont remplis d'un fluide intermédiaire, véhiculant la chaleur, ce fluide .se trouve toujours à l'état liquide.
On peut utiliser à cet/effet à l'état liquide, par exemple des métaux à bas point de fusi on, tels que le potassium et le sodium, ou bien un alliage métallique à bas point de fusion, par exemple le métal dit de Woods ou un alliage de potassium et de sodium. Dans les systèmes représentés, le chauffage à l'endroit 25 par le brûleur annulaire 26 et le refroidissement des parties qui se trouvent dans l'espace 21 provoquent un effet de thermo-siphon dans le fluide intermé- diaire de sorte que la chaleur' est fournie d'une manière conti- nue au fluide moteur. Dans les formes d'exécution représentées,
<Desc/Clms Page number 8>
les systèmes sont dessinés complètement fermés.
Cependant, dans certains cas, on peut aussi ménager dans les systèmes;, en un en- droit approprié, une ouverture par laquelle l'intérieur du sys- tème communique avec l'ambiance. Ceci peut être nécessaire par exemple pour permettre la dilatation du fluide intermédiaire dans les systèmes pour autant que ce fluide n'ait pas une trop grande tendance à l'oxydation.
Dans la forme d'exécution montrée sur la fig. 5, le cylindre du moteur est disposé horizontalement; ici aussi le cylindre 31 contient une chemise 32 dans laquelle se déplace le piston 33. Dans l'espace 34, les systèmes 35 sont disposés de manière à constituer ensemble une gaine et, sur son trajet du récupérateur 36 vers l'enceinte 37 à gauche du piston 33, généralement appelée chambre chaude, le gaz à chauffer est guidé entre ces systèmes. Les systèmes 35 sont remplis d'un fluide qui passe de l'ctat liquide à l'état de vapeur et inversement. Les parties de ces éléments sortant du moteur, dont la fig. 5 en montre deux en oupe, constituent ensemble une paroi 38 qui en- toure le brûleur 39. Comme le montre la. figure, ces éléments com- portent des saillies ou ailettes 40 pour en augmenter la surface.
En procédant de cette manière, on peut, sans renoncer aux avan- tages précités,- utiliser un moteur dont les cylindres sont dis- posés horizontalement ou légèrement inclines sans que le trans- fert de chaleur vers le fluide moteur (.éventuellement de ce fluide) suscite des difficultés particulières. La fig. 6 est une vue extérieure d'une forme d'exécution analogue à celle montrée sur la fig. 5, mais l'ensemble des parties en saillie des sys- tèmes constitue une gaine conique 52, qui entoure le brûleur 53.
Cette exécution conique de la gaine offre un avantage: les par- ties en saillie 52 des systèmes sont exposées à l'action du brû- leur d'une manière plus économique que dans le; forme d'exécution montrée sur la fig. 5.
<Desc/Clms Page number 9>
Les formes d'exécution montrées sur les figs. 1 à 6 conviennent évidemment sans plus aux machines frigorifiques fonctionnant suivant le principe inverse de celui du moteur à gaz chaud, soit à la partie d'une telle machine où de l'énergie ther- mique (froid) est fournie au fluide actif de la machine, soit à l'endroit où cette énergie thermique se prélève de la machine à une température plus élevée. Cependant, par suite de la tempéra- ture de régime différente, il faudra choisir pour le fluide in- termédiaire d'autres substances. Pour les applications de réfri- gération, on utilisera par exemple, comme fluide intermédiaire, de l'éther.
Les figs. 7 et 8 montrent deux autres formes d'exécution des systèmes renfermant le fluide intermédiaire. Dans les formes d'exécution montrées sur la fig. 7, le système est constitué par un tube fermé aux deux extrémités qui renferme une quantité dé- terminée de fluide intermédiaire; ce fluide reste à l'etet li- quide. Pour obtenir l'effet de thermo-siphon alorsindispensable le système 60 comporte une cloison 61, maintenue en place par des ergots 62.
De cette manière, le creux du système 60 est sub- divisé en deux parties qui communiquent à leur partie inférieure et à leur partie supérieure, en 63 et en 64. Lorsque le système 60 est chauffé dans la. zone A par un brûleur non représenté sur le dessin, ce qui est indique schématiquement par les flèches B, il se produit dans le fluide intermédiaire un effet de thermo- siphon tel qu'indiqué par les flèches C.
Un effet analogue se produit dans la forme d'exécution montrée sur la fig. 8. Ici aussi, le système 70 est rempli d'une quantité déterminée d'un fluide intermédiaire liquide et il faudra donc entretenir un effet de thermo-siphon. A cet effet, le sys- tème 70 comporte non seulement une cloison 71 mais en outre, à la partie inférieure, deux dérivations 72 et 73 qui communiquent en 74. Dans la zone D, la dérivation 73 est chauffée comme indi-
<Desc/Clms Page number 10>
que par les flèches E. De ce fait, le fluide intermédiaire cir- cule dans le sens des flèches F.
Comme les dérivations 72 et 73 sont disposées à une certaine distance l'une de l'autre, la dif- férence de température du fluide des dérivations 72 et 73 du système 70 sera plus grande que dans les formes d'exécution mon- trées sur la fig. 6, et on obtient donc un meilleur effet de thermo-siphon.
La fig. 9 montre une vue du dessous d'une forme d'exé- cution de l'invention. Cette figure montre un réchauffeur du type représenté sur les figs. 1 à 4, mais dans lequel les systèmes sont montés entre eux d'une manière spéciale. Dans la tête 80 du mo- teur se trouve la chemise 81. Les systèmes 82 affectent ici la forme de tubes droits plats fermés à deux extrémités. Ils renfer- ment un fluide intermédiaire qui passe de l'état liquide à l'état de vapeur et inversement. Les systèmes sont fixés dans la tête du moteur de manière que, vus de la source de chaleur 83, ils se recouvrent partiellement.
De cette manière on utilise entière- ment la chaleur rayonnée par la source et on peut admettre une charge très élevée du foyer sans qu'il soit nécessaire de prendre des dispositions spéciales en ce qui concerne les parois de l'espace qui renferme la tête du moteur et la source de chaleur.