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GROUPE AUTONOME POUR LE TRANSFERT'DE LA CHALEUR D'UN NIVEAU=DE
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TEMPERATURE'DETERMINE'A UN NIVEAU'PLUS ELEVE.
D'une fagon générale, les groupes connus jusqu'à présent pour transférer de la chaleur d'un niveau de température déterminé à un niveau plus élevé, par exemple les groupes frigorifiques.. les installations de conditionnement d'air, ou les pompes thermiques... sont constitués par une machine du type frigorifique entraînée par,un moteur. Ce moteur fournit alors l'énergie mécanique nécessaire à la machine frigorifique.
L'invention concerne un groupe autonome.
Suivant l'invention,le groupe autonome pour le transfertde la chaleur d'un niveau de température déterminé vers un niveau plus élevé est constitué par un système fermé; ce groupe comporte comme fluide actif une certaine quantité de gaz de composition chimique invariable et il est muni d'une chambre chaude et d'une chambre de congélation qui communiquent cha- cune, par un réchauffeurun récupérateur et un réfrigérante avec une cham- bre refroidie. Les volumes de ces chambres, ainsi que le volume total de 1' enceinte active sont modifiés par des pistons accouplés, qui, sont animés d'un mouvement de va-et-vient pratiquement harmonique présentant des déca- lages angulaires constants.
La phase des variations de volume de la chambre chaude diffère d'un angle a de celle de la chambre de congélation, d'un angle b de celle de la cham- bre refroidie et d'un angle 2 de celle de l'enceinte totale, a, b et 2 étant considérés comme positifs lorsque les variations de ladite chambre chaude précèdent celles des autres chambres, tandis qu'en outre, tant a que c sont compris entre d - 180 et ±lal'angle d étant déterminé par vt sin a + k sin b
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tg d = vtv v cos a + k cos b + t
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tant sin d que le numérateur de cette fraction étant positifs.
Dans cette fraction, v = rapport de l'amplitude des variations de volume de la chambre de congélation à l'amplitude des variations de vo- lume de la chambre chaude, k = rapport de l'amplitude des variations de volume de la chambre refroidie à. l'amplitude des variations de volume de la chambre chaude, tv = rapport de la température absolue moyenne du fluide dans la chambre refroidie à la température absolue moyenne du fluide dans la chambre de congélation, tw = rapport de la température absolue moyenne du fluide dans la chambre refroidie à la température absolue moyenne du fluide dans la chambre chaude.
La demanderesse a constaté que le groupe conforme à l'invention permet d'utiliser une partie de l'énergie fournie à la chambre chaude pour en- traîner le groupe. A cet effet, le groupe doit satisfaire aux conditions spé- cifiées ci-dessus. Dans la forme de construction conforme à l'invention, une certaine quantité d'énergie est fournie à un piston et est transmise, sous forme d'énergie mécanique, à un vilebrequin commun. Cette quantité d'énergie doit évidemment être suffisante pour assurer le mouvement de va- et-vient des pistons. La quantité d'énergie fournie par le piston moteur au vilebrequin peut cependant être plus grande que le¯strict nécessaire pour assurer le mouvement de va-et-vient des pistons dans la machine.
Dans ce cas, l'excès d'énergie peut être utilisé pour d'autres buts.. par exem- ple pour entraîner les pompes à combustible.,. etc..
Lorsqu'on parle ici d'un réchauffeur,il y a lieu d'entendre par là un échangeur de chaleur qui permet de fournir de l'énergie calo- rifique au fluide actif du groupe. La fourniture d'énergie calorifique au réchauffeur qui est raccordé à la chambre chaude, maintient cette der- nière chambre à une température élevée.
A proximité de l'enceinte de congélation se trouve un autre échangeur de chaleur qui permet de fournir de l'énergie calorifique (à une température assez basse) au fluide actif du groupe ; ceréchauffeur sera appelé "congélateur".
Par "réfrigérant " on entend un échangeur de chaleur à l'aide duquel de l'énergie calorifique est prélevée du fluide actif.
Le groupe conforme à l'invention est autonome, c'est-à-dire que, contrairement aux groupes connus jusqu'à présent, il ne demande pas un rapport d'énergie sous forme mécanique. L'énergie nécessaire à l'entraîne- ment du groupe est fournie, sous forme d'énergie calorifique, à l'aide d'un brûleur au réchauffeur qui appartient à la chambre chaude. Ceci offre plusieurs avantages. C'est ainsi que le rendement du groupe peut être assez élevé, car l'énergie qui est fournie au groupe ne doit pas d'abord être convertie en é- nergie mécanique, conversion qui est toujours accompagnée de pertes. Les pis- tons du groupe sont animés d'un mouvement de va-et-vient pratiquement harmo- nique, ce qui assure un entraînement facile de ces pistons.
Dans une forme de réalisation avantageuse de l'invention, deux chambres à niveaux de température successifs sont influencées par les surfa- ces terminales d'un piston commun. Ainsi tant le volume de la chambre chaude que celui de la chambre refroidie peuvent être influencés par les surfaces terminales d'un piston commun.
Dans une forme de réalisation avantageuse de l'invention tant le volume de la chambre chaude que celui de la chambre refroidie sont influen- cés par les surfaces terminales d'un piston commun tandis qu'en outre les volumes de la chambre de congélation et de la chambre refroidie sont influ- encés par les surfaces terminales d'un autre piston commun et le dispositif
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comporte un troisième piston dont une seule surface terminale influence les variations de volume de l'une des chambres.
Cette forme de réalisation permet d'obtenir une construction simple lorsque le troisième piston se meut en phase avec le piston qui in- fluence tant la chambre refroidie que la chambre de congélation.
Dans une autre forme- de réalisation de l'invention.$! le groupe ne comporte que deux pistons et le'piston qui influence tant le volume de la chambre de congélation que celui de la chambre refroidie, est réalisé sous forme de piston à étages.
Dans cette dernière forme de construction, suivant une autre particularité de l'invention, le second piston peut, lui aussi, être un piston à étages.
Dans une autre forme de réalisation encore de l'invention tant le volume de lachambrachaudeque.celui de la chambre refroidie sont influencés par les surfaces terminales d'un piston commun et le groupe ne comporte qu' un seul autre piston à une seule face active qui influence les variations de volume de la chambre de congélation. Cette forme de réalisation ne com- porte donc qu'un seul piston actif et un seul balayeur ou piston de trans- fert de fluide.
Dans une forme de réalisation avantageuse de l'invention les axes des deux pistons forment un angle de l'ordre de grandeur de 90 et les espaces., tournés vers le vilebrequin, situés derrière ces pistons for- ment ensemble la chambre refroidie.
Cette forme de construction permet d'obtenir d'une façon' très simple un groupe facilement équilibrable et de plus, les espaces morts y sont réduits au minimum.
Enfin, suivant l'invention, le carter du groupe peut être réali- sé sous forme d'un ensemble hermétiquement clos dans lequel l'arbre vile- brequin ne comporte pas de sorties vers l'extérieur. Les groupes connus jusqu'à présent comportent tous un arbre auquel il faut fournir de l'éner- gie mécanique. Cet arbre doit sortir du carter ce qui provoque une possibi- lité de fuites du fluide frigorifique en cet endroit. Le groupe conforme à l'invention est autonome,, de sorte qu'il ne faut pas lui fournir d'énergie mécanique et qu'il ne doit pas comporter de sorties d'arbre.
La description qui va suivre en regard du dessin annexée 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 ladite invention.
Les fig. 1, la, 2, 2a, 3, 3a, 4, 5 et 5a donnent d'une façon très schématique;, quelques exemples de réalisation de groupes autonomes confor- mes à l'invention.
Les fig. 6,7 et 8 donnent quelques formes de réalisation avec détails constructifs de tels groupes tandis que les fig. 9, 10, 11, 12, 13 et 14 montrent quelques diagrammes de cycles thermo-dyns.miques qui se dé- roulent dans le groupe représenté sur la fig. 6.
Le groupe représenté sur la fig. 1 comporte une chambre chaude 1, une chambre refroidie 2 et une chambre de congélation 3. La chambre 1 commu- nique avec la chambre 2 par l'intermédiaire d'un réchauffeur 4 d'un récupé- rateur 5 et d'un réfrigérant 6, tandis que la chambre de congélation 3 com- munique avec la chambre refroidie par l'intermédiaire du congélateur 7, du récupérateur 8 et du réfrigérant 9. Le volume de chacune des chambres 1, 2 et 3 est modifié par un piston, à savoir 10, 11 et 12. Les pistons sont ac- couplés, par l'intermédiaire¯de bielles, respectivement 13, 14 et 15, au vi- lebrequin commun 16.
La fig. la montre les positions relatives des manctons.
Lorsqu'on admet que les variations de la chambre chaude sont décalées en
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avant d'un angle a = 60 par rapport à celles de la chambre de congélation, d'un angle b = 120 par rapport à celles de la chambre refroidie et d'un angle ± = 60 par rapport à celles de la chambre active totale., le facteur v étant égal à 1 et le facteur k étant également égal à 1 (pistons égaux),
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tandis que tv = 1R6 et te = 0.5, on trouve, t d = 196 x 09866 + 0,866 2 2 2/182 tg 1,6 x 0, 5 - 0.5 +0.5 ' 0/18 9 c'est-à-dire que d = 70,5 .
On constate que a et c sont compris entre d - 180 et que de plus, tant sin d que le numérateur de la fraction ci-dessus sont positifs.
Ceci implique que les conditions nécessitées pour que le groupe de la fig.
1 soit autonome sont remplies et que de la chaleur peut être transférée d' un niveau de température plus bas à un niveau de température plus élevé.
Lorsque la température de la chambre chaude est de 900 K, dans cette forme de réalisation, la température de la chambre refroidie est de 900 x 0,5 = 450 K et la température de la chambre de congélation est de 450 : 1,6 = 280 K. L'installation convient donc pour le conditionnement d'air et de plus. elle peut être utilisée comme pompe thermique.
La fig. 2 montre une autre forme de réalisation du groupe confor- me à l'invention. Sur cette figure, le groupe comporte trois cylindres 20, 21 et 22. Dans ces cylindres se meuvent les pistons 23, 24 et 25, dont les deux premiers sont réalisés sous forme de balayeur. Les pistons sont accou- plés par des bielles à un vilebrequin commun 37. La chambre chaude 26 au- dessus du piston 23 communique, par l'intermédiaire d'un réchauffeur 27. d'un récupérateur 28 et d'un réfrigérant 29, avec la chambre refroidie 3 0.
La chambre 31 au-dessus du piston 25 constitue la chambre de congélation et celle-ci communique par le congélateur 32, le récupérateur 33 et le réfrigé- rant 34 avec la chambre refroidie 35. Les chambres 30 et 35 communiquent par des canaux 38 avec la chambre 36 au-dessus du piston 24 et forment en- semble la chambre refroidie totale.
La fig. 2a montre des positions relatives des manctons correspondant à un exemple de calcul.
Dans cette machine aussi, on peut préciser les conditions dans lesquelles son fonctionnement est autonome. Si l'on admet que = 90 , b = 185 et e = 120 , et qu'en outre, v = 1, k = 1,5, tv = 1,3 et tw = 0,4, on trouve :
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tg d = 193 - 0,13/ ¯ 1,166 = -1.06.
0 - 1,5 + 0, 4 - 1,1 On en déduit que .si = 133,3 . Tant a que e sont plus petits que d, tandis que sin d et le numérateur de la fraction ci-dessus sont positifs. Le groupe sera donc autonome dans les conditions spécifiées ci-dessus et pour- ra transférer de la chaleur d'un niveau de température déterminé vers un ni- veau de température plus élevé. Si. dans cette forme de réalisation, la tem- pérature de la chambre chaude est de 900 K, la température de la chambre re- froidie est 900 x 0,4 = 360 K et celle de la chambre de congélation est alors de 360 :1,3 = 277 K. L'installation peut donc parfaitement être utili- sée comme pompe thermique.
Le groupe représenté sur la fig. 3 ne comporte que deux cylindres à savoir 40 et 41. Dans le cylindre 40 se déplace le balayeur 42 et dans le cylindre 41 le piston étagé 43. Les deux pistons sont reliés par des mécanis- mes de bielles 54 et 55 à un vilebrequin commun 56. L'enceinte 44 au-dessus du piston 42 constitue la chambrechaude de la machine. Cette chambre commu- nique, par un réchauffeur 45, un récupérateur 46 et un réfrigérant 47, avec la chambre refroidie 48 formée sous le piston 42. L'enceinte 49 formée au- dessus du piston 43 communique, par le congélateur 50, le récupérateur 51 et le réfrigérant 52, avec l'enceinte 53 formée au-dessous du piston étagé.
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Les enceintes 48 et 53 et le canal de liaison 57 forment ensemble la chambre refroidie totaleo
La fig. 3a montre les positions relatives de manctons correspon- dant à un exemple de calculSi, dans la machine décrite ci-dessus,, 1 = 2, k = 1,4 alors que a = c = 90 et b = 225 , les températures étant choi- sies de façon que tv = 1,3 et que tw = 0,4, on obtient : 2 x 1,3 - 1 1,6 tg d = 0 - 1 + 0,4 = -0,6 = -2,7 c'est-à-dire que d = 110 .
Dans ce cas aussi, a et c sont compris entre d - 180 et d, tandis que tant sin d que le numérateur de la fraction sont positifs.
Si, dans l'exemple de réalisation, la température de la chambre chaude est de 800 K, la température de la chambre refroidie est 800 x 0,4 = 320 K, et celle de la chambre de congélation, de 320 : 1,3 = 246 K. Le groupe de la fig. 4 concorde à grands traits avec celui de la fig. 3 et c'est pour- quoi on a utilisé les mêmes chiffres de référence que sur cette dernière.
Toutefois, le balayeur 42 est remplacé par un second piston étagé 58.
La fig. 5 montre une autre forme de réalisation du groupe con- forme à l'invention. Ce groupe ne comporte que deux cylindres 60 et 61.
La chambre chaude 62, formée au-dessus du piston 63 dans le cylindre 60, communique, par l'intermédiaire du réchauffeur 64, du récupérateur 65 et du réfrigérant 66, avec l'enceinte 67 formée au-dessous du piston 63. L'encein- te 68 formée au-dessus du piston 69 communique, par l'intermédiaire du congé- lateur 70, du récupérateur 71 et du réfrigérant 72, également avec l'encein- te 67. L'enceinte 68 constitue la chambre de congélation du groupe, tandis que l'enceinte 67 est la chambre refroidie. Les pistons 63 et 69 sont ac- couplés, à l'aide de mécanismes de bielles 73 et 74, à un vilebrequin 75.
La fig. 5a montre les diverses positions de la manivelle corres- pondant à un exemple de calcul. On peut admettre pour le groupe représenté sur la fig. 5, les valeurs suivantes : a = c = 9 b = 180 , v = 1, k = 1, tv = 2 et tw = 0,4, de sorte que : tg d = 2 = 2 = -3,3
0 - 1 + 0,4 -0,6 On en déduit d = 106 . Dans cette forme de réalisation aussi, toutes les conditions nécessaires sont satisfaites, car a et c sont compris entre d - 180 et d, et de plus tant sin d que le numérateur de la fraction sont positifs. Lorsque, dans cette forme de réalisation, la température de la chambre chaude est de 800 K, la température de la chambre refroidie est de 800 x 0,4 = 320 K et celle de la chambre de congélation est de 320 : 2 = 160 K.
Le groupe représenté sur la fig. 6 est l'image d'une réalisation pratique de celui représenté sur la fig. 2. Dans le cylindre 80 se déplace un balayeur 81, tandis que dans le cylindre 82 se déplace un balayeur 83.
L'enceinte 84 formée au-dessus du balayeur 81, communique par l'intermédiai- re du réchauffeur 85, du récupérateur 86 et du réfrigérant 87, avec l'en- ceinte 88 qui communique,par l'intermédiaire des canaux 89 et de l'encein- te 91 avec l'enceinte 90. Ces enceintes forment la chambre refroidie dont le volume est influencé par le piston 92. Cette chambre refroidie communi- que., par l'intermédiaire du réfrigérant 93, du récuperateur 94 et du congé- lateur 95 avec la chambre de congélation 96. Les balayeurs 81 et 83, ainsi que le piston 92, sont accouplés par des bielles au vilebrequin 97, le tout de façon que les manivelles forment entre elles les angles requis. La chambre 84 est maintenue à une température élevée et constitue la cham- bre chaude du groupe.
A cette chambre chaude on fournit de l'énergie calori- fique à l'aide du brûleur 98. Les gaz de combustion fournis par ce brûleur lèchent les ailettes prévues sur la paroi du réchauffeur 85 et quittent la
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chambre de combustion par la sortie 99. La chambre de congélation 96 et le congélateur 95 se trouvent dans une enceinte fermée 100 qui doit être maintenue à basse température. Les dimensions du piston 82 et la course de ce piston sont choisies de façon que ce piston fournisse au vilebre- quin un travail positif suffisant pour provoquer le déplacement des ba- layeurs et du piston dans le groupe.
L'énergie mécanique qui est transmise par ce piston, peut aussi être utili- sée, par exemple, pour l'entraînement d'une pompe à combustible du brûleur 98 ou pour entraîner un compresseur à air ainsi qu'un compresseur à gaz de réglage, destiné à modifier la puissance du groupe. Dans ce cas, le piston 92 influence la chambre refroidie. Toutefois, il est aussi possible, et dans certains cas lasse désirable,que ce piston influence le volume de la cham- bre chaude ou de la chambre de congélation. En outre, sur cette figure, le carter constitue un ensemble fermé sans sorties pour les arbres. Ceci per- met de réduire au minimum., même à zéro, les fuites de fluide actif. En outre, le carter peut être mis en surpression, ce qui réduit les forces agissant sur les bielles.
La fig. 7 représente un groupe qui correspond à grands traits avec celui de la fig. 3. Dans le cylindre 110 se meut un balayeur 111 qui est accouplé à la manivelle 113 à l'aide d'un mécanisme de bielle. A cette manivelle est également fixé le mécanisme de bielle du piston étagé 114 qui se déplace dans le cylindre 112. Les axes des deux cylindres forment un angle de- 90 .
Le piston étagé comporte une partie à diamètre D1 et une partie à diamètre D2. D2 est notablement plus petit que Dl, mais est au moins notablement plus grand que le diamètre de la bielle de piston. La partie de piston étagé de diamètre D2 correspond au piston 92 de la fig. 6 avec cette différence que ce piston peut être considéré comme fixé rigidement au piston 83 de cet- te fig. 6.
Dans ce cas, l'angle a est donc égal à l'angle c. L'enceinte 115 formée au- dessus du balayeur 111 est la chambre chaude du groupe et cette chambre com- munique de nouveau avec l'enceinte 119 par un réchauffeur, réalisé sous for- me de réchauffeur à serpentins, un récupérateur 117 et un réfrigérant 118.
L'enceinte 119 communique, par l'intermédiaire du canal 120, avec l'encein- te 121 formée sous le piston étagé 114 dans le cylindre 112. Les enceintes 119 et 121, ainsi que le canal 120, forment la chambre refroidie. Cette chambre refroidie communique avec la chambre de congélation 126 par l'inter- médiaire du réfrigérant 123, du récupérateur 124 et du congélateur 125. A la chambre chaude on fournit de l'énergie calorifique à l'aide du brûleur 127 dont les gaz de combustion quittent le réchauffeur en 129; le congéla- teur et la chambre de congélation se trouvent dans l'enceinte à refroidir 128. Ce groupe fonctionne de la même.manière que celui représenté sur la fig. 6. Si les conditions mentionnées dans la formule précédente sont satis- faites, le piston étagé 114 fournira de l'énergie mécanique.
La quantité d' énergie fournie dépendra du diamètre D2 du piston étagé ainsi que de la course de ce piston.
La fig. 8 montre une autre forme de réalisation du groupe. A grands traits, cette forme de réalisation correspond à celle représentée sur la fig. 5.
Au lieu du piston étagé 114 de la fig. 7, le groupe représenté sur la fig. 8 comporte un piston simple 133, tandis que la chambre refroi- die est reliée directement à l'enceinte formée au-dessus de ce piston.
Le balayeur 130 se déplace dans le cylindre 131. Ce balayeur est accouplé à la manivelle 132 à l'aide d'un mécanisme de bielles. A cette manivelle est aussi accouplé le mécanisme de bielles du piston 133 qui se déplace dans le cylindre 134. Les axes des cylindres 131 et 134 forment un angle de 90 . La chambre chaude 135 formée au-dessus du balayeur 13 0 communique, par l'intermédiaire du réchauffeur 136 du récupérateur 137 et du réfrigérant
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138, avec l'enceinte 139 formée .sous le balayeur 130.
Cette enceinte 139 et le canal 140 forment la chambre refroidie qui communique avec la cham- bre de congélation par l'intermédiaire du réfrigérant 141, du récupéra- teur 142 et du congélateur 143.La chambre chaude est maintenue à tempé- rature élevée à l'aide du brûleur 1450 La chambre de congélation et le congélateur 143 se trouvent dans l'enceinte 146 qui doit être maintenue à basse température.
La fig. 9 est un diagramme des diverses positions du piston d'une machine correspondant à celles représentées sur les figo 2 et 6, mais dans lesquelles a = 90 , b = 206 et c = 90 .
En abscisses, on a porté l'angle de rotation du vilebrequin exprimé en degrés,, tandis qu'en ordonnées on a porté les volumes variables des en- ceintes qui sont influencées par les pistons.
Les déplacements des pistons sont harmoniques, mais pour la simplicité, le mouvement harmonique.,, qui serait par exemple représenté par la courbe en pointillés 150, est remplacé par les lignes brisées à sommets a, b, ± et do
La fig. 10 donne les variations de la pression .0 dans l'encein- te active du groupe en fonction de l'angle de la manivelle. La pression est portée en ordonnées et l'angle en abscisses.
Les variations de pression y sont également simplifiées et sont rempla- cées par des droites. La pression est maximum pour un angle de 0 = 360 .
Sur la fig. 9, les espaces morts ont été omis. La surface I de cette figure.. donne les variations de volume successives de la cham- bre de congélation.. les surfaces Ils celles de la chambre chaude et les surfaces III + IV, celles de la chambre refroidie tandis que la surface IV seule donne les variations de volume de l'enceinte active totale que provoque le piston additionnelo
La fig. 11 représente schématiquement le diagramme pv de la chambre chaude. Ce diagramme donne en abscisses le volume v et en ordon- nées la pression p. Sur cette figure se trouvent aussi les pointsmarqués des lettres a, b, c et d, correspondant à ceux des figures précédentes.
La fig. 13 donne le diagramme pour le piston qui influence la chambre active totale. L'aire de ce diagramme est égale à la moitié de cel- le des diagrammes 11 et 12. Comme le montre la figure, le piston fournit du travail positif., qui peut être utilisé pour le déplacement de l'ensem- ble des pistons dans le groupe.
La fig. 14 donne le diagramme de la partie III de l'enceinte refroidie. L'aire de ce diagramme est égale au double de celle des dia- grammes des fig. il et 12, comme le prouve aussi la fig. 9.
La fig. 13 montre que l'on peut augmenter le travail total fourni par le piston qui influence l'enceinte active totale allongeant la course de ce piston.
En générale le groupe ne comportera qu'un seul piston qui influen- ce les variations de volume de l'enceinte active totale, mais on peut aussi en prévoir plusieurs.