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Machine à gaz chaud.
La présente invention concerne une machine à gaz chaud, en particulier une machine à piston à gaz chaud, à cycle fermé.
L'expression "machine à gaz chaud à cycle fermé* comprend tant les moteurs à gaz chaud dans lesquels la chaleur provenant. d'une source thermique extérieure est transmise au fluide gazeux actif du moteur, et est transformée à l'aide de ce fluide, en énergie mécanique, que les machines frigorifiques, fonctionnant suivant le principe inverse de celui du moteur à gaz chaud, dans lesquelles l'énergie mécanique est transformée, à l'aide du fluide actif de la machine, en énergie calorique (en général du froid). Les particularités relatives au cycle thermodynamique décrit dans la machine conforme à l'invention figurent dans la Revue Technique Philips, tome 8, numéro 5, pages 129-136, mai 1946.
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La machine à gaz chaud conforme à l'invention comporte une chambre chauffée et une chambre refroidie dont les variations de volume s'effectuent avec un décalage d'environ 60 à 120 , depuis pratiquement zéro jusqu'à une valeur finie déterminée, ces chambres communiquant librement entre,-elles par l'intermé- diaire d'un réchauffeur, d'un récupérateur et d'un réfrigérant.
En ce qui concerne la présente invention, il y a lieu d'entendre par réchauffeur un échangeur de chaleur, à travers la paroi duquel de l'énergie calorique est transmise de l'exté- rieur de la machine au fluide actif de la machine. En outre, par réfrigérant, il y a lieu d'entendre un échangeur de chaleur dans lequel la chaleur traverse la paroi dans le sens inverse à celui qu'elle a dans le réchauffeur. Donc, dans le réfrigérant, de l'énergie calorique provenant du fluide actif de la machine, sort par la paroi et est transmise, par exemple, à un milieu réfrigérant se trouvant à l'extérieur de la paroi.
Par "chambre chauffée" de la machine, il y a lieu d'enten- dre l'enceinte de volume,variable dans la machine qui se trouve du même côté du récupérateur que le réchauffeur, tandis que par "chambre refroidie" on entend l'enceinte de volume variable, qui, dans la machine, se trouve du même côté du récupérateur que le réfrigérant.
Comme on le sait, dans les moteurs à gaz chaud, la détente du fluide actif du moteur s'effectue à une température plus élevée que la compression. Par contre, dans la machine frigori- fique fonctionnant suivant le principe inverse de celui du mo- teur à gaz chaud, la détente du fluide actif de la machine s'ef- fectue à une température plus basse que celle de la compression.
Dans le moteur conforme à l'invention, en régime le ré- chauffeur comme le fait d'ailleurs présumer son nom, se trouve- ra à une température plus élevée que celle du réfrigérant. De même, dans la chambre chauffée du moteur régnera une température
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plus élevée que celle de la chambre froide. Par contre, dans les machines frigorifiques fonctionnant suivant le principe inverse de celui du moteur à gaz chaud, en général, le réchauf- feur et la chambre chauffée se trouveront à des températures plus basses que le réfrigérant et la chambre refroidie, ceci par suite du fait que, dans une machine frigorifique on considère comme réchauffeur, l'échangeur de chaleur dans lequel de l'é- nergie calorique (ici du froid) est amenée de l'extérieur de la machine à travers la paroi, au fluide actif de la machine.
Dans la machine conforme à l'invention, le récupérateur a pour objet de prélever de la chaleur du fluide qui le traverse dans un sens, d'accumuler cette chaleur et de la céder ensuite au fluide qui le traverse dans l'autre sens.
Des machines à gaz chaud comportant une chambre chauffée, un réchauffeur, un récupérateur, un réfrigérant et une chambre refroidie sont connues.
Bien que les machines à gaz chaud soient connues depuis un temps assez long, jusqu'à présent, l'étude ou l'utilisation de ces machines ne se sont jamais pratiquées à grande échelle.
Pratiquement, tous les moteurs à gaz chaud déjà connus sont à régime lent, le rapport du poids à la puissance est défavorable et ils ne permettent de développer qu'une petite puissance; de plus leur rendement est médiocre. Quant aux machines frigorifi- ques fonctionnant suivant le principe inverse de celui du moteur à gaz chaud, elles ont, en général, donné des résultats déce- vants.
La présente invention permet d'obtenir une machine à piston à gae chaud, dont le rendement est plus élevé que celui des machines connues. En outre, elle permet de réaliser des machines à régime plus rapide, par exemple 2000 tours par minute , voire plus. Enfin, elle permet de réaliser un moteur à gaz chaud
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fonctionnant sans à -coups, de construction simple et ayant un bon rendement.
Pour obtenir ce résultat, les propriétés spécifiques des éléments utilisés dans la machine, à savoir la chambre chauffée, le réchauffeur,le récupérateur, le réfrigérant et la chambre refroidie sont adaptées l'une à l'autre. De plus, conformément à l'invention, il faut que, dans la machine ces éléments se pré- sentent dans l'ordre de succession mentionné et non dans un autre.
Pour obtenir les résultats désirés, il faut que le facteur P, qui sera défini par la suite, du réchauffeur soit compris entre 0,2 et 0. 75, de préférence entre 0.35 et 0. 45 et que le facteur C, qui, lui-aussi, sera défini par la suite, du réchauf- feur soit compris entre 0,1 et 0,6.
Le facteur P du récupérateur doit être compris entre 0,9 et 1,0 le facteur C de cet élément doit être compris entre 0,05 et 0,6 et sa capacité thermique doit au moins être égale à en- viron 2,5 fois la capacité thermique de la quantité de fluide qui traverse le récupérateur dans un sens déterminé pendant un tour de la machine.
En outre,le facteur P du réfrigérant doit être compris entre 0,2 et 0,75, de préférence entre 0,35 et 0,45, tandis que le facteur C de cet élément doit être compris entre 0,1 et 0,6.
Toutes ces valeurs sont données pour la pleine charge du moteur ou de la machine frigorifique.
En outre, la machine à gaz chaud conforme à l'invention est, de préférence, réalisée de manière que le volume total de l'es- pace nuisible que comportent le réchauffeur, le récupérateur et le réfrigérant soit égal à 0,5 - 3 fois, de préférence à 0,75 - 1 fois le volume maximum de la chambre chauffée de la machine.
En outre, il importe que, tant dans le réchauffeur que dans le réfrigérant, le fluide actif de la machine soit subdivisé en
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au moins 5 circuits branchés en parallèle. Il est cependant avan- tageux que ce nombre de circuits soit notablement plus élevé, par exemple 30.
Les facteurs P et C précités sont basés sur le rapport de la transmission de chaleur à la perte de charge et pour le ré- chauffeur, le récupérateur et le réfrigérant, ces facteurs peu- vent se déterminer à l'aide des formules suivantes :
EMI5.1
Dans ces formules, L est l'"indice" de transmission de la chaleur, Eu, le coefficient de pertes de charge (coefficient d'Euler) a, le coefficient de transmission de la chaleur, 0, la surface totale de l'échangeur de chaleur considéré (réchauffeur, récupérateur ou réfrigérant) W, la capacité thermique de la quantité de fluide qui traverse p ar unité de temps, l'échangeur de chaleur, r, la densité du fluide mesurée dans une section déterminée de l'échangeur de chaleur considéré, v, la vitesse moyenne du fluide mesurée dans la même section que r,
(r et v peuvent se mesurer en un point quelconque de l'échangeur de chaleur considéré vu que le produit r. v est constant). i, la valeur moyenne des densités du fluide actif à l'entrée et à la sortie de l'échangeur de chaleur considéré, p,la perte de charge dans l'échangeur de chaleur considéré.
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Comme il a déjà été mentionné, dans la machine à gaz chaud conforme à l'invention, le cycle est décrit par un fluide gazeux, par exemple de l'air, de l'azote, de l'hydrogène, de l'hélium etc. Ce fluide est enfermé dans l'enceinte réservée à cet effet, constituée par les éléments précités, et, pendant la première partie du cycle, il se dirige de la chambre chauffée vers la chambre refroidie à travers le réchauffeur,le récupérateur et le réfrigérant, et, pendant la seconde partie du cycle, de la chambre refroidie à travers le réfrigérant, le récupérateur et le réchauffeur, vers la chambre chauffée.
En général, des pistons serviront à modifier les volumes de la chambre chauffée et de la chambre refroidie de pratiquement 0 jusqu'à une valeur maximum déterminée, opération pendant laquelle la détente du fluide s'effectue essentiellement dans la chambre chauffée de la machine.
Par suite du décalage mentionné entre les variations de volume de la chambre chauffée et de la chambre refroidie, le volume de la chambre chauffée sera maximum à un moment qui précède de 60 à 1200., en général 90 , le moment auquel le volume de la chambre refroidie est maximum. Le réchauffeur fournit de l'énergie ca- lorique au fluide et le réfrigérant en prélève de la chaleur.
La description du dessin annexé, 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 figure unique représente un moteur à un seul cycle à deux cylindres disposés en forme de V.
Sur cette figure 1, est la chambre refroidie dans laquelle le fluide est essentiellement comprimé. Ce fluide traverse ensuite un réfrigérant qui prélève de ce fluide la chaleur y accumulée pendant la compression et ensuite un récupérateur 3 dans lequel de la chaleur est fournie au fluide. Ensuite, le fluide traverse un réchauffeur 4 dans lequel sa température croît et finalement
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il est amené dans la chambre chauffée 5, chambre dans laquelle il est essentiellement détendu. Ceci termine la première partie du cycle thermodynamique. La seconde partie du cycle se déroule pendant le retour du fluide de la chambre chauffée 5 vers la chambre refroidie 1 à travers le réchauffeur 4, le récupérateur 3, et le réfrigérant 2.
Les cinq éléments précités communiquent librement entre eux.
La chambre chauffée 1 et la chambre refroidie 5 sont en outre limitées par un piston froid 7 et un piston chaud 8 dont chacun modifie le volume de l'enceinte,dans laquelle il se déplace pen- dant le fonctionnement du moteur, pratiquement depuis zéro jus- qu'à une valeur finie déterminée. Les deux pistons comportent des segments 6 qui empêchent la fuite du fluide des chambres 1 et 5.
Le cycle décrit est un cycle fermé. C'est essentiellement toujours la même quantité de fluide qui participe au cycle, abstraction faite des fuites et pour autant que, par exemple pour le réglage, une quantité déterminée de ce fluide puisse être enlevée ou ra- menée dans la chambre de la machine réservée à cet effet.
Les pistons 7 et 8 sont accouplés à l'aide de bielles à l'arbre 9. Cet arbre porte un contre-poids 13. La détente du fluide, qui se produit à température élevée, et la compression du fluide, à basse température, laissent un excès d'énergie mécanique, qui, par suite de la présence des pistons 7 et 8, des bielles 10 et de l'arbre 9, fait fonctionner la machine en moteur.
Le récupérateur 3 contient une certaine quantité de fil mé- tallique à bonne transmission de la chaleur. Ce métal est réparti aussi uniformément que possible dans l'enceinte du récupérateur et de préférence, il a, par unité de volume de l'enceinte ren- fermant le métal, une surface comprise entre 100 cm2 par cm3 et 200 cm2 par cm3. Dans la direction de circulation du fluide mo- teur, ce fil de remplissage a, de préférence, une dimension com- prise entre 0,8 et 4 cm, une capacité thermique comprise entre
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2,5 et 25 fois la capacité thermique du fluide moteur qui, par course du piston traverse le récupérateur, et un espace nuisi- ble dont le volume total est de préférence inférieur au volume moyen du fluide actif qui traverse le récupérateur dans un sans déterminé à chaque tour de la machine.
En outre, le facteur de remplissage du récupérateur est, de préférence, compris entre 6 et 25. Par "capacité thermique* on entend la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter de 1 C la température de la masse de remplissage. Le facteur de remplissage est le rapport de la masse de remplissage du récupérateur au volume occupé par le matériau de cette masse.
Tant le réfrigérant 2 que le réchauffeur 4 comportent un certain nombre de canaux branchés en parallèle que traverse le fluide à réchauffeur,respectivement à refroidir. En général, ces canaux affecteront la forme d'étroites fentes. Au moteur, on fournit de la chaleur à l'aide du réchauffeur 4. A cet effet, celui-ci comporte des ailettes extérieures 11 qui peuvent être chauffées, par exemple, à l'aide d'un brûleur non représenté sur le dessin. A l'aide des nervures 12, le réfrigérant 2 cède la chaleur que le réfrigérant 2 absorbe du fluide, à un fluide ré- frigérant, par exemple un liquide ou de l'air.