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PROCEDE ET DISPOSITIF CONVENANT A L'EXECUTION DE REACTIONS CHIMIQUES
EN PHASE GAZEUSE.
Il a déjà été préconisé d'effectuer des réactions chimiques sous forte pression et à haute température comprimant un gaz dans un cylindre aus- si adiabatiquement que possible par un piston jusqu'à ce que la pression et la température voulues soient atteintes, puis à laisser le produit de la réaction se détendre aussi adiabatiquement que possible en provoquant ainsi le refroidissement du produit immédiatement après ou pendant la réaction sous l'effet de la détente. Il est possible par ce moyen d'obtenir un chauffage et un refroidissement très rapides, qui sont extrêmement avantageux pour ren- dre certaines réactions susceptibles de progresser d'une manière satisfaisan- te.
Le gaz à comprimer peut être le gaz ou le mélange de gaz à faire réagir, un aérosol si un des réactifs est en phase liquide ou solide, un gaz inerte ou un des éléments de la réaction dans lequel le liquide à traiter ou le li- quide réagissant doivent être injectés plus tard. Il peut être avantageux d'ajouter un gaz inerte à un gaz de la réaction à comprimer de façon à ob- tenir une valeur plus grande du rapport Cp du mélange à comprimer et par
Cv conséquent une température plus élevée pour un rapport de compression donné.
L'énergie nécessaire à la compression est fournie dans une large mesure par la. détente du produit de la réaction. En raison de la perte de cha- leur et des pertes qui résultent du frottement, il est presque toujours né- cessaire de fournir un supplément d'énergie extérieure à l'appareil, même si l'énergie de détente est théoriquement égale ou légèrement supérieure à l'énergie de compression et c'est pourquoi il a été préconisé de construire un appareil sous forme de moteur à piston avec arbre à manivelle, qui doit être alimenté par de l'énergie extérieure. Mais il en résulte que l'appareil devient compliqué et coûteux.
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L'invention a pour objet de modifier le procédé et l'appareil de façon à pouvoir utiliser des dispositifs beaucoup plus simples. Le prin- cipe consiste à apporter l'énergie nécessaire aux cycles périodiques de l'o- pération par un gaz qu'on fait arriver dans le cylindre sous une pression appropriée, sensiblèment inférieure à la pression la plus forte qui s'éta- blit dans le cylindre et dont la détente fournit l'énergie nécessaire. Si on fait arriver le gaz au commencement de la détente, sa pression doit être égale à celle qui règne alors dans le cylindre, c'est-à-dire pratiquement la pression la plus forte s'établissant dans le cylindre.
Pour éviter qu'il en soit ainsi, on peut faire arriver le gaz sous pression pendant la course de détente, lorsque la pression dans le cylindre est devenue inférieure à la pression qu'on désire du gaz d'injection. Pendant le reste de la course de détente ce gaz sous pression accomplit un travail dont la valeur peut être réglée en choisissant la pression du gaz sous pression et par suite le point d'admission peut être choisi en fonction de la quantité d'énergie qui est nécessaire pour faire fonctionner l'appareil à la vitesse qu'on désire.
Le gaz sous pression peut aussi être introduit ou injecté en un point approprié de la course de compression, de façon à se comprimer avec le gaz à traiter qui a été introduit dans le cylindre avant la compression, et ne se déten- dre que plus tard, en ayant soin évidemment que le supplément d'énergie de détente du gaz comprimé soit suffisant pour faire fonctionner l'appareil à la vitesse qu'on désire. Il faut également tenir compte de l'influence exer- cée par ce gaz comprimé sur la composition du mélange à comprimer ainsi ob- tenu et sur la pression et la température au cours de la compression. De plus le gaz sous pression peut être injecté au cours de la compression et de la ¯détente.
Le gaz sous pression choisi est généralement la vapeur d'eau, car la vapeur à la pression voulue peut être obtenue d'une manière relati- vement simple et peu coûteuse. On peut aussi employer des vapeurs de liqui- des autres que l'eau.
Pour obtenir la température de compression qu'on désire sous-une pression de compression qui ne soit pas trop forte, il peut être avantageux de mélanger le gaz ou le mélange de gaz à faire réagir avant ou pendant la compression avec un gaz auxiliaire, par exemple, de la vapeur, dont le rap- port Cp est plus grand que celui du gaz ou mélange de gaz mentionné en pre-
Cv mier lieu ; lemême gaz peut servir généralement à fournir la quantité d'éner- gie de détente nécessaire.
Le dispositif dans lequel s'effectue l'opération peut être con- struit avec plusieurs cylindres à pistons à simple action accouplés par un arbre à manivelle commun, qui, par suite, n'a pas besoin d'être actionné par une source d'énergie extérieure. Mais on peut encore réaliser une au- tre simplification au moyen de pistons à double action, fonctionnant sui- vant le cycle à deux temps, de sorte que, pendant que la compression se pro- duit sur une face des pistons, la détente se produit sur l'autre. Chaque pis- ton peut être monté dans le cylindre sous forme de piston libre. L'énergie mise en liberté pendant la détente sur une face du piston est ainsi utilisée dans une large mesure à la compression sur l'autre face du piston par l'éner- gie cinétique accumulée temporairement dans le piston.
Le cylindre étant im- mobile et comportant des couvercles fixes, la pression variable qui s'exerce sur ces couverclestransmet au bâti des efforts variables en valeur et en di- rection, qui peuvent être compensés en disposant plusieurs cylindres en pa- rallèle. Dans le cas d'une série de deux cylindres égaux dont les pistons fonctionnent en sens opposés, les efforts dans le sens de l'axe se font équi- libre, mais il subsiste encore des couples en vue de la suppression desquels il serait nécessaire de monter quatre cylindres en parallèle.
Mais il est également possible avec un seul cylindre - si on le désire deux moitiés de cylindre - de supprimer complètement les efforts ré- sultant des pressions des gaz et se transmettant au bâti en utilisant les ef- forts dus à la pression du gaz et s'exerçant sur les couvercles du cylindre à titre de forces accélératrices de la masse de ces couvercles du cylindre, soit en montant le cylindre entier avec couvercles fixes de façon à le rendre
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mobile suivant l'axe par rapport au bâti, soit en formant les couvercles du cylindre par des pistons d'étanchéité accouplés entre eux en permanence.
Le piston central et le cylindre ou les pistons d'étanchéité d'une machine ain- si construite vont et viennent en sens opposés de sorte que les forces exer- cées par la pression suivant l'axe sur ces éléments sont équilibrées par les forces d'accélération dans une mesure telle qu'il ne subsiste plus d'efforts extérieurs ni de couples dans le dispositif.
Les masses des deux éléments alternatifs sont choisies de façon qu'elles soient inversement proportionnelles à la longueur de leurs courses prévues; la longueur relative de la course du piston par rapport aux extré- mités du cylindre est évidemment égale à la somme des diverses longueurs de course. Pour coordonner les mouvements des deux éléments en mouvement on peut., s'il y a lieu, les enclencher entre eux, par exemple au moyen de crémaillères et d'une roue dentée, qui n'ont alors à absorber qu'un effort négligeable.
L'invention est décrite ci-après en détail avec le dessin ci- joint à l'appui, qui représente schématiquement quelques exemples de réali- sation de l'appareil suivant l'invention.
Sur ce dessin : - la figure 1 représente sous forme schématique un cylindre immo- bile contenant un piston libre, - la figure 2 représente ,schématiquement une combinaison de deux de ces cylindres, - les figures 3 et 4 représentent une forme de construction qui comporte un seul cylindre fermé par des pistons aux extrémités, - la figure 5 (5A, 5B, 5c, 5D) représente plusieurs positions de cette machine, et - les figures 6,7 et 8 représentent respectivement sous forme schématique une coupe longitudinale, une coupe verticale transversale et une vue en plan d'une machine comportant un cylindre mobile dans son ensem- ble.
Suivant la figure 1, deux pistons 1 et l' sont accouplés par une tige 2 et par suite sont mobiles sous forme de piston unique dans l'espace du cylindre divisé en.deux parties 3 et 3'. Le cycle de la machine comporte deux temps. Chacun des espaces 3 et 3' comporte une lumière, respectivement 4 et 4', contrôlée.par le piston et par'lesquelles s'échappe le produit de la réaction, et un orifice d'admission, contrôlé par une soupape (5 et 5'), du gaz de la réaction, qui déplace le produit de la réaction, réalisant ain- si un balayage uniforme. Des orifices commandés par des soupapes 6 et 6' servent à l'admission du gaz sous pression pendant la course de détente.
Les souspapes 5 et 5' et s'il y a lieu les soupapes 6 et 6' sont commandées par le mouvement de l'ensemble des pistons.
La machine fonctionne de la manière suivante : dans la position de la figure 1, l'espace 3 du cylindre contient du gaz comprimé qui subit ou vient de subir la réaction et à tendance à se détendre. Les produits de la réaction sont ou ont été déplacés de l'espacé 3' du cylindre par le nou- veau gaz de la réaction. Le mouvement des pistons s'accélère de gauche à droite et 4' et 5' sont fermés, puis il se produit une compression dans l'espace 3', qui retarde le mouvement des pistons. Lorsque l'ensemble des pistons est arrivé dans une certaine position déterminée, par exemple au voisinage du milieu de la course, et 'que la. pression dans l'espace 3 est devenue inférieure à celle du gaz comprimé, la soupape 6 s'ouvre pendant le temps qu'on désire et le gaz sous pression pénètre danscet espace du cylindre.
Le gaz sous pression apporte la' quantité d'énergie qui est né- cessaire pour maintenir tout le dispositif en mquvement. La compression dans l'espace du côté droit'du cylindre et la détente dans l'espace du côté gauche continuent jusqu'à ce que le mouvement des pistons s'arrête. Entre- temps la lumière d'échappement 4 et l'orifice d'échappement.5 se sont ou- verts, puis la machine recommence à fonctionner en sens inverse.
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Les efforts qui s'exercent sur les couvercles du cylindre de la forme de construction de la figure 1 engendrent une force résultante qui a- git sur le bâti et, étant donné qu'elle est variable en grandeur et direction, elle peut provoquer des vibrations fâcheuses. La figure 2 représente une ma- chine qui comporte deux dispositifs tels que celui de la figure 1 montés en parallèle et dont les pistons se déplacent toujours en sens inverse du fait qu'ils sont accouplés par des crémaillères 7 et 7' et une roue dentée 8. Quoi- que les efforts variables n'engendrent plus de force résultante dans le sens de l'axe puisqu'ils s'équilibrent, il subsiste cependant un couple variable en grandeur et direction. Ce couple est également supprimé par la forme de construction des figures 3 et 4.
L'espace 3 du cylindre dans lequel le pis- ton 2 est mobile est fermé aux extrémités par des pistons 9 et 9', qui sont accouplés entre eux par des supports 10 et 10', et des tirants 11 et 11' et par suite sont mobiles ensemble. Les orifices d'échappement 4 et 4' du pro- duit de la réaction qui sont commandés par le piston central 2 communiquent avec un tuyau d'échappement 12. Les orifices d'admission 5. et 5' peuvent avoir la forme de lumières ménagées dans la paroi du cylindre, permettant de les commander par les pistons 9 et 9' des extrémités. L'admission du gaz de la réaction s'effectue du fait que les orifices 5 et 5' débouchent dans une enveloppe 13 qui entoure la machine et à laquelle se raccorde le tuyau d'ar- rivée du gaz de la réaction par une tubulure 14.
Les orifices d'admission du gaz sous pression dans le cylindre sont désignés par 6 et 6' et sont fermés par des soupapes de retenue chargées par des ressorts. De plus la forme de réalisation représentée comporte un mécanisme, figure 4, qui permet à cette admission de ne s'effectuer que pendant la course de détente et non pendant 'la course de compression. Un tiroir cylindrique 17 disposé entre le tuyau d'arrivée du gaz sous pression 20 et les tuyaux 16 et 16' se raccordant avec les orifices 6 et 6' est actionné par une tige 18 dont les extrémités ren- contrent des butées 19 et 19' du tirant ll.
Sur la figure 4 qui correspond à la figure 3, le tirant des pis- tons des extrémités se trouve dans sa position de fin de course à gauche, de sorte que la course de détente suivante s'effectuera du côté droit de la figure. Le tiroir cylindrique est poussé vers la gauche par la butée 19', faisant ainsi communiquer les tuyaux 20 et 16', mais fermant le tuyau 16.
Le mouvement suivant des pistons par lequel la détente s'effectue à droite et la compression à gauche a pour effet de n'admettre le gaz sous pression que du côté droit, lorsque la pression dans le cylindre est devenue inférieu- re à celle du gaz sous pression. Vars la fin de la course la butée 19 entrai- ne le tiroir 17 dans son autre position, symétrique par rapport à celle qui est représentée et dans laquelle le gaz sous pression est introduit à gauche pendant la détente, qui s'effectue maintenant de ce côté.
Les mouvements du piston central et des pistons des extrémités peuvent être coordonnés s'il y a lieu par un levier 21 et les bielles d'ac- couplement 22 et 23 qui réunissent les extrémités de ce levier respectivement avec les pistons des extrémités et avec le piston central. Le-rapport des longueurs des bras du levier est choisi proportionnellement à la longueur de la course des pistons, qui, de son côté, dépend du rapport des masses.
Pour rendre plus facile à comprendre le fonctionnement de la ma- chine quatre positions successives des pistons et du tiroir de distribution du gaz sous pression sont représentées sur les figures 5A, B, C et D.
Les figures 6, 7 et 8 représentent une machine dans laquelle le cylindre 3, dans lequel le piston 2 se déplace librement, comporte des couver- cles fixes et est librement mobile dans son ensemble dans le sens de l'axe sur une glissière ou bâti 24. Les pressions variables qui règnent dans le cy- lindre provoquent le mouvement en sens inverse du piston et du cylindre qui vont et viennent sur des longueurs de course inversement proportionnelles aux masses des deux éléments. Les lumières d'admission et d'échappement du cylin- dre sont commandées par le piston sur le côté intérieur du cylindre et par le tiroir à orifices sur le côté extérieur du cylindre.
Le cylindre comporte un orifice d'admission 25 du gaz de la réaction et des orifices d'échappement
26 du produit de la réaction; à l'extérieur ces orifices communiquent toujours
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librement avec les orifices, respectivement 29 et 30, du tiroir ou bâti et par suite avec le tuyau d'arrivée 32 du gaz de la réaction et le tuyau d'é- chappement 4. La circulation est donc commandée exclusivement par le piston, de façon à déplacer le produit de la réaction par la nouvelle charge de gaz introduite dans les positions à fin de course du piston dans un des espaces situés de chaque côté de lui. Le piston peut comporter un ou plusieurs dé- flecteurs faisant suivre au courant de gaz le bon chemin.
Le passage par les lumières 28 et 28' du cylindre qui servent à faire arriver un gaz sous pression ou gaz auxiliaire, par exemple de la va- peur, du tuyau 33 dans les espaces du cylindre est commandé à la fois par la position du piston par rapport au cylindre et par celle du cylindre par rap- port au tiroir qui comporte les lumières 31 et 31'. Dans la position de la figure 6, les deux lumières sont fermées; le cylindre est alors à fin de cour- se à droite et le piston à fin de course à gauche. Pendant la course suivan- te un moment arrive où les lumières 28 et 31 communiquent et le piston 2 ne ferme plus la lumière 28. Le gaz sous pression est ainsi admis dans l'espace du côté gauche du cylindre avec le produit de la réaction qui se détend.
Un instant plus tard, les lumières 28' et 31' forment un passage, tandis que le piston n'a pas encore atteint la lumière 28', et par suite le gaz sous pres- sion est également admis dans l'espace du côté droit dans lequel s'effectue la compression et ce gaz peut servir de gaz auxiliaire pendant la compression; étant donné que son rapport Cp est avantageux, pour obtenir une température
Cv de compression plus élevée pour un rapport de compression donné. Cette forme de construction permet donc d'admettre le gaz auxiliaire pendant la compres- sion et pendant la détente; si on désire qu'il ne soit admis que pendant la détente, on peut arriver à ce résultat au moyen de soupapes séparées de la manière décrite à propos de la machine précédente.
On fait en sorte, au moyen d'une ou plusieurs butées ou ressorts, que le mouvement du cylindre s'effectue de part et d'autre de sa position centrale, qui est symétrique par rapport au bâti ou glissière.
Le bâti sur lequel le cylindre est mobile peut être construit de diverses manières, par exemple comporter un trou cylindrique dans lequel est logé le cylindre actif. On peut réduire le frottement au minimum en rempla- gant le frottement de glissement autant que possible par un frottement de roulement ou en compensant la charge verticale du poids du cylindre au moyen de canaux d'allègement ou analogues, par lesquels le gaz sous pression est introduit.
La machine décrite ci-dessus peut être mise en marche en se ser- vant du gaz sous pression et en amenant les divers éléments de la machine dans une position dans laquelle ce gaz peut pénétrer dans un espace actif.