EP0001732B1 - Procédé de conversion de l'énergie et dispositif pour sa mise en oeuvre - Google Patents

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EP0001732B1
EP0001732B1 EP78400133A EP78400133A EP0001732B1 EP 0001732 B1 EP0001732 B1 EP 0001732B1 EP 78400133 A EP78400133 A EP 78400133A EP 78400133 A EP78400133 A EP 78400133A EP 0001732 B1 EP0001732 B1 EP 0001732B1
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EP
European Patent Office
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rotor
fluid
working fluid
circuit
axis
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EP78400133A
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German (de)
English (en)
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EP0001732A1 (fr
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Bernard Bailly Du Bois
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Original Assignee
Individual
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Publication of EP0001732A1 publication Critical patent/EP0001732A1/fr
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Publication of EP0001732B1 publication Critical patent/EP0001732B1/fr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B3/00—Self-contained rotary compression machines, i.e. with compressor, condenser and evaporator rotating as a single unit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K11/00—Plants characterised by the engines being structurally combined with boilers or condensers
    • F01K11/04—Plants characterised by the engines being structurally combined with boilers or condensers the boilers or condensers being rotated in use
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D11/00—Heat-exchange apparatus employing moving conduits
    • F28D11/02—Heat-exchange apparatus employing moving conduits the movement being rotary, e.g. performed by a drum or roller
    • F28D11/04—Heat-exchange apparatus employing moving conduits the movement being rotary, e.g. performed by a drum or roller performed by a tube or a bundle of tubes

Definitions

  • the invention relates to industrial energy conversion processes involving at least one step in which the pressure of a working fluid is acted on, in the direction of compression or expansion, possibly, but not necessarily. , in the context of machines where the working fluid circulates in a closed circuit by describing a complete thermodynamic cycle.
  • thermodynamic cycle followed by the fluid can be open or closed, and it is often advantageous that several of its phases take place inside the same rotor.
  • the invention essentially makes it possible to exploit the friction forces in contact with the fluid with the walls which guide it by making the work produced by the displacement of these forces play an important role in the variations of the pressure of the fluid along the circuit, whether in the direction of its compression or of its expansion, pressure variations which are also linked to the potential energy due to rotation.
  • the subject of the invention is a method of energy conversion involving at least one step of compression or expansion of a working fluid inside a rotor and in which the working fluid is made circular in a conduit integral with the rotor which describes a circuit having the shape of a spiral, this spiral being oriented so that the duct approaches the axis of rotation of the rotor when the circuit is traversed by turning around this axis in the same direction that the direction of rotor rotation characterized in that one imposes on the geometrical characteristics of the conduit and the operating conditions that at each point of conduit the angular speed co of the rotor, the relative speed V of the fluid in the conduit, the hydraulic diameter D of the pipe, the coefficient of friction f of the fluid on the walls of the pipe and the angle A made with the meridian plane at the point considered the plane parallel to the axis of the rotor defined by the direction of the circuit at this point , resp ect in operation the condition:
  • the working fluid circulates in a duct, in particular a tubular duct, the walls of which are integral with a rotor movable in rotation around a fixed axis.
  • This duct determines in the rotor a variable azimuth circuit around the axis of rotation.
  • variable azimuth circuit applies here and in everything that follows to circuits having the general shape of a spiral, that is to say that the successive points of the various current lines constituting a circuit are located in respective meridian planes whose azimuth varies in a determined direction and that these successive points are located at the same time at radial distances which vary in a determined direction, for positions which may possibly also vary in axial direction.
  • This denomination includes the particular cases of spirals contained in a plane perpendicular to the axis of rotation, for example the Archimedean spirals, such that the distance to the axis varies in proportion to the azimuthal angle, or the logarithmic spirals, such that the angle made by the directional vector with the radial direction remains constant.
  • the working fluid conduit secured to the rotor approaches the axis of rotation when the circuit is traversed by turning around this axis, relative to the -rotor, in the same direction as the direction of rotation of the rotor (and therefore deviates from the axis when turning in the opposite direction).
  • the working fluid circulates inside the rotor in a spiral-shaped duct which imposes the azimuthal relative displacements of the fluid with respect to the rotor in the same direction throughout the circuit, and this circuit is oriented so such that the fluid approaches the axis if it rotates in the same direction as the rotor in its relative displacement relative to it, and that it moves away from it if it rotates in the opposite direction.
  • the geometric orientation of the spiral therefore depends on the direction of rotation of the rotor, but it does not depend on the direction of movement of the fluid in its duct.
  • the same rotor can comprise several, or even a large number, of similar conduits, in series and / or in parallel on the working fluid circuit.
  • the quantitative conditions imposed on the geometric parameters of the conduits and on the operating conditions in the present invention have the effect of saving mechanical energy or improving its use, by allowing any changes in the enthalpy of the working fluid in according to its entropy and by reducing the energy degradations due to the behavior of the fluid in the duct.
  • This result is particularly obtained when the ratio between the relative speed of the fluid V and the product of the angular speed of rotation ⁇ by the hydraulic diameter D of the conduit is not much greater than unity.
  • the secondary circulations and the dissipative structures induced in conventional turbomachines for low values of the Rossby number seriously contribute to the loss of usable energy.
  • the geometric characteristics of the working fluid conduit and the operating conditions also comply with the inequality relationship stipulated above, so that in their azimuthal projections (orthogonal projections on the direction perpendicular to the meridian plane ) the friction force exerted by the wall of the duct on the fluid and the Coriolis force are known in the same order of magnitude.
  • the invention thus makes it possible to avoid local variations in pressure, and therefore speed, of the fluid, and the energy degradations which result therefrom in conventional machines, or at least to reduce them notably.
  • it uses, in combination, two categories of forces to act on the fluid and constitute the azimuthal projection of the Coriolis forces induced by the relative flow of the fluid with respect to the rotor, namely the friction forces which s 'exert in a direction parallel to the surface of the walls, and pressure forces which are exerted in a direction perpendicular to this surface and which are the only ones to play a useful role on the blades of conventional machines.
  • the advantages of the invention are obtained if at each point of the duct the ratio of the azimuthal projection of the friction force to the azimuthal projection of the Coriolis force is between 0.2 and 2 and the geometry of the duct is determined so that this condition is met over the entire length of the circuit, throughout the range of fluid flow rates and speeds of the rotor in operation.
  • this ratio would remain lower or at most of the order of 0.1.
  • the relative speed V keeps a value which is roughly uniform locally, for points located in the fluid, in the vicinity of the walls and at a given distance R from the axis of rotation.
  • the coefficient f is determined by the relation or is the pressure drop per unit length of the duct, measured when the rotor is stationary and the fluid of density p is passed through it with an average speed V.
  • the hydraulic diameter D of the duct is equal to four times the ratio between its cross section and the corresponding perimeter on the wall.
  • the compression and expansion yields are all the better as the sliding of the fluid relative to the rotor is low; it is advantageous for this purpose to limit the ratio to a value less than or much less than 0.2.
  • this pipe is then used as a heat exchanger, which can constitute a hot source or a cold source, in a thermodynamic cycle followed by the working fluid.
  • the heat can be brought to the exchanger or removed from it by means of an auxiliary fluid located on the other side of tubular walls defining the conduit of the working fluid.
  • this auxiliary fluid advantageously circulates in spiral circuits parallel to those of the working fluid, in the same direction as the latter or in the opposite direction.
  • heat can be produced or absorbed directly within the fluid itself in the zone of the circuit constituting the hot or cold source.
  • the invention makes it possible, by avoiding local differences in speed of the fluid at a given distance from the axis, to also overcome the drawbacks local variations in the temperature difference between the fluid and the walls of the duct.
  • the Reynolds analogy implies that the Stanton number of the flow is very close to the coefficient f / 2.
  • the uniformity of the wall temperatures at a given distance from the axis one way of fulfilling the condition indicated above consists in imposing that the quantity of heat exchanged with the fluid while the rotor is moving of a radian is between 0.4 times and 4 times the product of the cotangent of angle A by the heat capacity per degree and at constant pressure of the fluid contained in the portion of the circuit considered, multiplied by the average deviation temperature between the fluid and the wall.
  • the coefficient f is practically invariable throughout the operating range of the device; the condition imposed according to the invention then implies that the large variations in fluid flow are accompanied by variations in the same direction of the speed of rotation w.
  • the quantity fVD is proportional to the kinematic viscosity of the fluid ⁇ / o.
  • the imposed condition then leads to fix between two numerical limits the number for the co speeds of use of the device. If, for example, the conduit is materialized by parallel disks separated by a distance D / 2, the number thus defined can be chosen to remain between 5 and 50 and preferably close to 25.
  • angle A With regard to the angle A, the best theoretical performances for the specific power are generally obtained when this angle has a constant value of between 30 and 45 degrees, the conduits then having the form of logarithmic spirals.
  • the constructive problems posed by the realization of small hydraulic diameters very often make it preferable, especially for heat exchangers and turbulent flows, the use of relative trajectories having the form of Archimedes spirals with angles A greater than 60 degrees. or very little below 90 degrees, in practice up to 89 degrees.
  • the cross section of the duct can have any shape. Its walls generally include fins or corrugations which make it possible, in particular, to vary the hydraulic diameter of the flow and the relative speed V, as a function of the distance R from the axis.
  • conduits For the general arrangement of the conduits, three main configurations can be adopted: juxtaposition of stacked discs, perpendicular to the axis, the conduits being delimited in the radial direction by spiral ribs integral with the discs; rows of tubes wound in radial spirals and connected to larger diameter collecting tubes, parallel to the axis of the rotor; large ribbed plates arranged around the axis in the manner of a carpet roll.
  • the invention is not limited to these simplest configurations.
  • a specific low heat gas preferably of molecular mass at least equal to that of nitrogen, is used to constitute the working fluid suspension of submicron particles of a body with a high atomic mass greater than 90.
  • This solution has the advantage of reconciling the requirements of low specific heat and high atomic mass, desirable for increasing the temperature difference between hot source and cold source for a given peripheral speed of the rotor (or conversely for decreasing the speed rotation) without using heavy gases such as mercury vapor, the use of which is not always possible, for reasons of chemical corrosion or harmfulness.
  • the dimensions of the particles, at most of the order of a micron are sufficiently small to ensure temperature uniformity in the fluid and for their sliding speed in the gas to remain negligible in a high gravitational potential.
  • the support gas is advantageously nitrogen or a monoatomic gas with an atomic mass greater than the molecular mass of the azote, preferably argon or krypton, or optionally xenon.
  • the particles can consist of chemical elements, of usual commercial purity, in solid phase, of atomic mass greater than 90, preferably tungsten, lead, bismuth, thorium or uranium. These particles can be covered with a very thin layer of a compound of said chemical elements, preferably an oxide in a monomolecular layer, or of any dispersive material, with the aim in particular of neutralizing the Van der Vals forces.
  • the thickness of these particles is advantageously at most 0.1 micron on average, and preferably between 0.001 and 0.1 micron; the specific surface of the powder thus formed is greater than 5 square meters per gram.
  • the advantages of the invention can easily be obtained with a ratio between the mass of the solid phase and the mass of the gas phase in the mixture of between 0.25 and 8 approximately.
  • the presence of such particles makes it possible to increase the density of fluid, which however retains the compressibility of a gas.
  • the invention makes it possible to artificially favor exchanges of mechanical energy over heat exchanges.
  • thermodynamic cycle Another way of increasing the temperature differences between cold source and hot source in the implementation of a complete thermodynamic cycle, consists in using recuperator exchangers between high and low pressure, advantageously included in the same rotor of the device of l 'invention. It is then desirable to use for the transfer of the heat recovered by an intermediate circuit, a fluid whose specific heat is much higher than that of the working fluid, so as to produce a kind of internal heat pump with natural circulation in the gravity field, automatically taking from the global cycle the amount of usable energy necessary to compensate for friction in the intermediate circuit and operating with a small temperature difference.
  • a first way, in itself known, of ensuring this tightness consists in using a ferromagnetic liquid in a rotating joint.
  • a second way of ensuring this etan cheity consists in avoiding any rotating joint separating the atmosphere from the working fluid and in using, to constitute the working fluid itself, a suspension of ferromagnetic particles in a gas, this fluid being subjected to magnetic fields whose intensity varies in absolute value, created by magnets located outside the rotor.
  • a third way of ensuring this sealing makes it possible to eliminate any rotating joint between the external aposphere and a working fluid without particular magnetic properties. It consists in passing successively the working fluid describing a thermodynamic evolution in a closed circuit in the ducts of the rotor, in accordance with the process which is the subject of the invention, and in the ducts of another member entirely incorporated in the rotor, this reaction member being kept artificially stationary, according to a first variant, or able to rotate around the same axis as the rotor, but with a different angular speed, possibly in opposite directions, according to a second variant.
  • the relative movement of the rotor and of the internal reaction member makes it possible to transform into work, in one direction or the other, the usable energy contained in the working fluid.
  • FIG. 2 represents a section of a basic device operating as a compressor.
  • This device comprises, in the example corresponding to this figure, an axis 1 in the center of the rotor, driven in rotation in the direction indicated by the arrow 2, a cylindrical casing 3 which surrounds the rotor and on which are reported the mechanical forces exerted by the gravitational field on the internal structures.
  • the fluid circuit comprises six intake tubes 4 and six manifold tubes 5, all of large diameter and axes parallel to the axis of the rotor, arranged symmetrically around the axis of the rotor.
  • the intake tubes are connected to the collection tubes by conduits 6, of small diameter, arranged in spirals, which constitute the conduits of the working fluid according to the invention.
  • the angle A considered above has been shown in the figure. In the particular case, this angle is close to 86 degrees.
  • the conduits 6 are finned internally in the longitudinal direction and are arranged in contiguous rows juxtaposed in the axial direction.
  • connection points on the same intake tube, belonging to different successive rows, are offset from one row to the other in the azimuth direction to facilitate the production of welds, but the entire assembly has symmetry of order six and is thus dynamically balanced around the axis of rotation.
  • the spirals are described in the opposite direction to the direction of rotation of the rotor when they are traversed away from the axis. In the case under consideration, their distance from the axis increases by an amount equal to six times the outside diameter of the conduits, for each revolution around the axis in the movement relative to the rotor.
  • the value of tgA is on average 16 for this circuit.
  • this device is coupled to a synchronous motor rotating at the speed of 3000 revolutions per minute and where it must provide a flow rate corresponding to a speed of 10 meters per second in the conduit, the fluid entering the conduit at a distance of 25 cm from the axis and leaving it at a distance of 50 cm, its density being high enough for the Reynolds number to exceed 10 5 and the roughness of the walls being such that the coefficient f remains constant and equal to 0.6%.
  • We impose a value for these conditions values which vary between 0.4 and 1.6, which allows most of the advantages of the present invention to be preserved.
  • By replacing the synchronous motor with a motor whose operating value can vary from 1000 to 4000 revolutions per minute, it is also possible to vary a factor greater than 12 the volume flow rates.
  • the heat transferred every second by the fluid is 1 , 26 kilowatts.
  • FIG. 5 indicates, on a temperature (t) -entropy diagram (S), the evolution of the fluid between the inlet a and the outlet b.
  • the dotted curve represents an isobaric evolution.
  • the speed of rotation of the rotor and the direction of circulation of the fluid determine the variation of the mechanical energy, while the temperature difference between the fluid and the wall determines the contributions or withdrawals of heat.
  • the advantages reported for compressor operation would be found for a turbine by inverting the fluid's inputs and outputs.
  • the spirals of Figure 2 can schematically ribs attached to discs perpendicular to the axis of rotation; they can also represent the intersection with a plane perpendicular to the axis of rotation of two profiled sheets welded on the two edges and wound around the axis of rotation while remaining parallel to it. It is also seen that all the devices usually used to obtain the coefficient f and the hydraulic diameter D desired in exchangers can be used to obtain conduits satisfying the conditions characterizing the process according to the invention.
  • Machine II shown in FIG. 3, is an engine in which the working fluid describes a thermodynamic cycle between two thermal sources where it is at different temperatures and where it exchanges heat with an external auxiliary fluid, through the walls of conduits which control its circulation.
  • the hot spring is constituted by a pressurized water circuit and the cold source by a water circuit at room temperature.
  • the heat supply is accompanied by a relaxation of working fluid and the heat extraction is accompanied by a compression.
  • the working fluid circulates in the rotor 41 inside a circuit, part of which is located in a member 59 which is entirely incorporated in the rotor but which is held stationary, by magnetic coupling with a fixed support 55 located at the 'outside.
  • the working fluid circuit is thus hermetically sealed from the outside of the rotor.
  • the thermodynamic evolution is represented by the diagram of figure 6, representing the variations of the temperature according to the entropy. It consists of a quasi-adiabatic compression from (d) to (e), a quasi-isothermal relaxation from (e) to (f), a quasi-adiabatic relaxation from (f) to (g) and a quasi-isothermal recompression from (g) to (d).
  • the working fluid is krypton, the pressure in the circuit of which is several tens of bars when the machine stops.
  • This gas contains a suspension of an equivalent mass of fine tungsten particles. These tungsten particles have a thickness of the order of a tenth of a micron and they are covered with a monomolecular layer of carbide.
  • the specific heat at constant pressure of the mixture is thus five times lower than that of air and the ratio of specific heats at constant pressure and volume remains quite high.
  • the rotor 41 of the machine is capable of rotating at a peripheral speed of between 400 and 500 m / sec. In operation, it drives an alternator producing electricity, coupled to the axial shaft 42 of the rotor, beyond the connections for auxiliary fluids, but not shown in the figures.
  • the working fluid circuit and the auxiliary hot and cold water circuits are rigidly fixed to this rotor which comprises three separate frames, namely a cold frame 43, a hot frame 44 and a feedback frame 45, independently connected to the axis of rotation to reduce thermal stresses.
  • the two thermal sources are formed annularly around the axis of the rotor, the hot source being more distant from this axis than is the cold source.
  • the main circuit comprises in the cold frame 43, three intake tubes 46 and three manifold tubes 47, of large diameter, the axes of which are parallel to the axis of the rotor, arranged around this rotor on two concentric cylinders.
  • These intake tubes and these manifold tubes are connected together by conduits 48, of small diameter, in an arrangement similar to that of the basic device of FIG. 2, but with a ternary symmetry.
  • the conduits 48 are internally finned and the importance of these fins increases when one deviates from the axis so that the product of the passage section by the hydraulic diameter is inversely proportional to the local density of the job.
  • the tungsten suspension in the krypton constituting the working fluid circulates inside the conduits 48, following spiral circuits oriented so as to rotate around the axis of rotation, in a direction opposite to that of the rotation of the machine, when moving away from the axis.
  • All the intake tubes and manifolds of the cold part are based on a mechanical structure allowing the centrifugal forces to be transmitted to an external cylindrical shell of the frame 43.
  • the hot frame 44 In the hot frame 44 are arranged three intake tubes 51 and three manifold tubes 52 similar to those of the cold part, but of smaller diameter and arranged respectively further and closer to the axis 42. These tubes are connected between them by conduits 53, internally finned, whose diameter is also smaller than those of the cold part. These conduits are arranged in juxtaposed rows, each of which comprises three turns wound in a plane perpendicular to the axis. The spirals are oriented so that we move in the same direction as that of the rotation of the machine when we approach the axis of rotation.
  • the set of conduits 53 rests on a mechanical structure transmitting most of the centrifugal forces to a very thick ferrule of the frame 44 surrounding the whole of the hot zone.
  • the three collecting tubes 47 of the cold zone are individually connected respectively to the three intake tubes 51 of the hot zone by three radial connection tubes 54.
  • the differential expansions are compensated by the bending of these radial tubes.
  • the three collecting tubes 52 of the hot zone are connected to orifices 57 of the feedback frame 45 by three connecting tubes 56 comprising a radial part and an axial part.
  • These orifices 57 include blades similar to the distributor blades of an axial turbine and they are located opposite similar blades 58 carried by an immobile member 59.
  • This immobile expansion member comprises conduits 61, of decreasing section , arranged in spirals oriented in the same direction as the direction of rotation of the rotor and leading to orifices 62, further from the axis of rotation, also comprising blades and located opposite an inlet diffuser in the rotor .
  • the stationary member 59 has an annular shape; it rests on a bearing constituted by the axis 42 of the rotor, by means of a gas cushion 86 which is obtained by sampling a low flow rate of the working fluid between the orifices 57 and 62 where the static pressures are which separates the fixed part from the mobile part while ensuring aerodynamic lubrication. Sealing labyrinths, not shown in the figure, separate the two series of orifices 57 and 62.
  • the fixed member 59 carries part of a magnetic circuit 64 whose polarities are alternated in the azimuth direction, this magnetic circuit closing through the frame 45 (the thickness of which is small in the air gap 66) in a fixed support, referenced 55, located outside the rotor.
  • the auxiliary cold water circuit comprises an intake pipe 74, arranged in the center of the rotor shaft, and annular exhaust ducts 75, one and the other connected to annular connection sealing devices.
  • the external network schematically shown in 76 and 77, and to radial tubes 78 and 79, ensuring their connection to the cold water box which surrounds the conduits 48 of the cold part, according to an arrangement similar to that of the machine I, except that the water circulates in the same direction as the working fluid.
  • the hot water inlet and outlet are made according to provisions similar to those of the cold circuit, by means of the inlet pipes 82, outlet 83, and the radial connection pipes 84 and 85.
  • the water circulates in the hot water box, around the walls of the working fluid conduits, approaching the axis of the machine.
  • the hot circuit is connected via rotary seals and a pump to a pressurization and reheating device comprising burners outside the rotor. These devices have not been shown in the figures.
  • the working fluid When the machine Il of FIG. 3 is in operation, the working fluid describes the thermodynamic cycle of FIG. 6. It is compressed almost adiabatically in the tubes 54, during its transfer from the cold zone to the hot zone, and it heats up, for example 300 ° C. This transformation is globally adiabatic for the mixture of krypton and tungsten, but it is not for krypton considered separately; the temperature of krypton is very slightly higher than that of tungsten which acts as a heat sink. The gravitational field increases the enthalpy per unit mass of the mixture and this results in a sharp increase in density and pressure.
  • the mixture yields to the rotor mechanical energy corresponding to the variation of the potential energy due to the rotation.
  • the fluid leaves the hot part with a temperature reduced by about twenty degrees like that of water.
  • the heat received by the working fluid is equal to the change in potential energy due to the rotation minus the change in enthalpy.
  • the density is divided by an important factor; the diameter of the tubes is determined so that the speed of the fluid relative to the rotor is of the order of 15 meters / second in the middle of the hot zone.
  • the fluid is then expanded in an generally adiabatic manner, first in the three tubes 56 integral with the rotor, then in the stationary member 59 where its static temperature continues to decrease in favor of an increase in kinetic energy which allows it to return to the rotor at 62, at a different level of gravitational potential.
  • This expansion zone is the one where the thermodynamic efficiency is the lowest, but the losses remain however of the same order of magnitude as in two successive stages of an axial turbine and they relate only to the useful work of the engine.
  • the expansion ends in the rotor and the fluid enters the cold zone at a temperature slightly above the inlet temperature of the cooling water.
  • the fluid transfers its heat (from (g) to (d)) while moving away from the axis again, and its azimuthal displacement is carried out in the opposite direction to the rotation of the rotor . It receives mechanical work taken from the rotor. This work is a little higher than the heat given to cold water, because its enthalpy increases by about twenty degrees.
  • the power of the engine is controlled by the flow of the hot water current, by means of a valve placed on the auxiliary pump circuit.
  • the machine III which is shown in FIG. 4 is a motor operating between two almost isothermal sources and using an intermediate recuperator. Heat is brought to the rotor by radiation at a temperature close to 600 ° C and the cold source is cooled by an atmospheric air circulation. An aerodynamic reaction member 99 is incorporated in the rotor.
  • the working fluid is xenon, the pressure of which is several tens of bars when the machine stops; it describes a thermodynamic cycle represented diagrammatically by figure 7, which indicates the variations of the temperature (t) according to the entropy (S). It receives the heat of recovery between (h) and (i); it is held in the hot source between (i) and (j), restores the heat of recovery between (j) and (k) and it is recompressed in the cold source between (k) and (h). In machine III, the expansion takes place in the reaction member 99 which rotates inside the rotor 91, but in the opposite direction.
  • the rotor 91 contains the cold source 92 and the hot source 93, on either side of the recuperator 94.
  • the working fluid circuit successively comprises the peripheral tubes 95 of the recuperator 94; which describe axial helices, from one end to the other of the recuperator in the longitudinal direction, the tubes or spiral conduits 96 of the hot source 93, the helical tubes 97 of the internal zone of the recuperator 94, the tubes or conduits 98 in spirals of the cold source 92.
  • the circuit then passes inside a reaction member 99 similar to that of machine II, which is movable in rotation about the same axis as the rotor 91, but independently of the latter.
  • the circuit is formed by nozzles 101 connecting to the ducts of the rotor 91 by annular chambers comprising axial blades. he these are converging nozzles wound around the axis of the machine in spirals oriented in the same direction as the direction of rotation of the rotor when moving away from the axis.
  • the circuit of the cooling air in the cold source 92 passes through blades parallel to the axis of the rotor, marked 111, fixed at the periphery of the rotor opposite fixed inlet and outlet diffusers.
  • the air passes in 102 following spiral paths between the conduits 98 of the cold source, which include very developed external fins. It then flows radially away from the axis to exit the rotor at 103.
  • the auxiliary fluid used in the hot source 93 is NaK eutectic which circulates in channels 104 located in the vicinity of a radial surface 105 of the rotor, heated by radiation, then between the conduits 96 of the main circuit.
  • An expansion volume containing argon is provided in 106.
  • the auxiliary fluid of the recovery circuit is helium under high pressure, containing a suspension of submicron particles of graphite.
  • the auxiliary fluid circuit comprises radial tubes 107 and 108 for passing from an external annular chamber containing the tubes 95 to an internal annular chamber containing the tubes 97, respectively in the forward direction and in the return direction.
  • the auxiliary fluid passes through a capacity 109 the inlet and outlet of which are offset in the azimuth direction, which makes it possible to obtain, by the effect of inertia, when the machine is started, a movement initiating the circulation of this auxiliary fluid in the desired direction.
  • the air circuit includes an expansion phase with heat supply, which contributes to reducing the amount of mechanical energy supplied to it by the rotor to maintain its circulation against the gravitational field (since its density decreases) and friction forces.
  • the fins 1 1 of the inlet and outlet diffusers provide it with the additional energy necessary for its movement.
  • the NaK circuit does not have a pump. It functions spontaneously by natural circulation because the channels 104 are arranged so that the zone of heating by radiation is a little further from the axis of rotation than the zone of cooling of this auxiliary fluid in contact with the walls of the conduits 96 .
  • the helium circuit also functions as a closed circuit heat pump in the gravitational field of the rotor 91.
  • the average temperature difference between the internal tubes 97 and the peripheral tubes 95 of the recovery circuit is greater than the difference of temperature corresponding to the adiabatic equilibrium of the mixture of helium and graphite in the gravitational field and circulation takes place naturally.
  • the orifices of the helium duct in capacity 109 are set back from each other in the azimuth direction as indicated above.
  • FIG. 7 represents the development of the working fluid, taking as a reference the stopping temperature with respect to the rotor 91.
  • the working fluid expands in the nozzles 101, almost adiabatic, by increasing its kinetic energy.
  • the difference in potential energies due to rotation determines the amount of usable energy released by the relative movement of the rotor and the internal movable member 99 (aerodynamic reaction member).
  • the power of the motor is controlled by means of the radiation flux arriving on the face 105 of the rotor.
  • the energy released by the action of the fluid on the rotor 91 and the member 99 is used in an electricity generator represented on the left part of the machine of FIG. 4.
  • the movable member 99 does not have an electrical winding, but only conductors 114 located at the periphery, parallel to the axis and short-circuited at their ends (mounting known as squirrel cage).
  • This member has no internal recesses and its moment of inertia is close to that of the rotor 91.
  • the fluid conduits can in particular be constituted by finned tubes which describe Archimedean spirals and which are connected in parallel on the fluid circuit according to a symmetry of revolution of a ternary order at least.
  • the working fluid can circular either inside or outside of these tubes.
  • a ferromagnetic fluid can be used.
  • the fluid must pass through the rotor and through a fixed member, or through the rotor and through a member rotating at a different speed.
  • machine II it is possible to pass the working fluid through an acceleration or relaunching enclosure which is located inside the walls of the rotor but which remains stationary relative to the outside. , the transmission of the forces necessary to compensate for the engine or resistant torque of the machine being ensured by means of a magnetic coupling.
  • machine III it is also possible (machine III) to pass the fluid from a first rotor to a second rotor, this second rotor being entirely located inside the first, having a moment of inertia comparable to this first rotor and rotating in the opposite direction. , the torque exerted on each other by the two counter-rotating rotors being balanced by magnetic forces exerted on electrical windings which play the role of armature or inductor.
  • These electromagnetic circuits make it possible to extract usable energy from the working fluid, or on the contrary to communicate mechanical energy to it via electrical energy penetrating into the main rotor by means of rotary contacts.
  • planar spirals are only a special case of variable azimuth conduits. They could be replaced by curves presenting in projection perpendicular to the axis of the forms of plane spirals, but extending in volume parallel to the axis. All variants of such conduits, as well as all variants of the various elements of the devices and machines described, also form part of the present invention.
  • the invention also extends to numerous variants of the methods described. It applies for example to processes where the working fluid undergoes phase changes by evaporation or condensation, inside conduits where it moves at relatively low speeds.

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Description

  • L'invention concerne les procédés industriels de conversion d'énergie impliquant au moins une étape où l'on agit sur la pression d'un fluide de travail, dans le sens d'une compression ou d'une détente, éventuellement, mais non nécessairement, dans le cadre de machines où le fluide de travail circule dans un circuit fermé en décrivant un cycle thermodynamique complet.
  • Il est déjà connu de faire subir un cycle thermodynamique à un fluide de travail à l'intérieur d'un rotor entraîné en rotation autour d'un axe fixe. On connaît en particulier des machines tournantes où le fluide de travail évolue entre une source chaude et une source froide, entre lesquelles la circulation de fluide est organisée de manière à tirer profit des effets de la force centrifuge qui permet la compression de fluide, lorsqu'il il s'éloigne de l'axe de rotation, et la détente de ce fluide, lorsqu'il s'en rapproche. On connaît aussi des chaudières ou des condenseurs rotatifs, dans lesquels les effets de la force centrifuge sont exploités au cours du changement de phase du fluide pour favoriser la séparation des phases liquide et vapeur.
  • Les dispositions connues de ces machines et dispositifs peuvent également être utilisées avec avantage dans la mise en oeuvre de la présente invention, dans certains de ses modes de réalisation préférés. Elles sont en effet généralement compatibles avec les particularités essentielles de l'invention. Celles-ci concernent l'organisation de la circulation du fluide de travail et les conditions de fonctionnement dans toute machine tournante où, dans au moins une étape, le fluide de travail se comprime ou se détend à l'intérieur d'un rotor. L'invention s'applique donc à tout procédé ou dispositif permettant de produire ou d'absorber de l'énergie mécanique ou thermique en contrepartie d'une variation des caractéristiques du fluide de travail. En l'absence d'échange thermique avec l'extérieur, on trouvera plus précisément les pompes et compresseurs dans le cas d'une compression du fluide de travail, les turbines dans le cas d'une détente, mais l'invention s'applique aussi aux moteurs thermiques et pompes à chaleur, la compression ou détente étant alors combinée avec un échange de chaleur entre le rotor et l'extérieur. D'une manière générale, le cycle thermodynamique suivi par le fluide peut être ouvert ou fermé, et il est souvent avantageux que plusieurs de ses phases s'effectuent à l'intérieur de même rotor.
  • L'invention permet essentiellement d'exploiter les forces de frottement au contact du fluide avec les parois que le guident en faisant jouer au travail produit par le déplacement de ces forces un rôle important dans les variations de la pression du fluide le long du circuit, que ce soit dans le sens de sa compression ou de sa détente, variations de pression qui sont liées par ailleurs à l'énergie potentielle due à la rotation. Ainsi l'invention a pour objet un procédé de conversion d'énergie impliquant au moins une étape de compression ou détente d'un fluide de travail à l'intérieur d'un rotor et dans lequel on fait circular le fluide de travail dans un conduit solidaire du rotor qui décrit un circuit ayant la forme d'une spirale, cette spirale étant orientée de façon que le conduit se rapproche de l'axe de rotation du rotor lorsqu'on parcourt le circuit en tournant autour de cet axe dans le même sens que le sens de rotation de rotor caractérisé en ce que l'on impose aux caractéristiques géométriques du conduit et aux conditions de fonctionnement qu'en chaque point de conduit la vitesse angulaire co du rotor, la vitesse relative V du fluide dans le conduit, le diamètre hydraulique D du conduit, le coefficient de frottement f du fluide sur les parois du conduit et l'angle A que fait avec le plan méridien au point considéré le plan parallèle à l'axe du rotor défini par la direction du circuit en ce point, respectent en fonctionnement la condition:
    Figure imgb0001
  • Dans les dispositifs et machines selon l'invention, mettant en oeuvre le procédé objet de l'invention, le fluide de travail circule dans un conduit, notamment un conduit tubulaire, dont les parois sont solidaires d'un rotor mobile en rotation autour d'un axe fixe. Ce conduit détermine dans le rotor un circuit d'azimut variable autour de l'axe de rotation. La dénomination "circuit d'azimut variable" s'applique ici et dans tout ce qui suit à des circuits ayant la forme générale d'une spirale, c'est-à-dire que les points successifs des diverses lignes de courant constituant un circuit sont situés dans des planes méridiens respectifs dont l'azimut varie dans un sens déterminé et que ces points successifs se situent en même temps à des distances radiales qui varient dans un sens déterminé, pour des positions qui peuvent éventuellement varier en outre en direction axiale. Cette dénomination englobe les cas particuliers de spirales contenues dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation, par exemple les spirales d'Archimède, telles que la distance à l'axe varie proportionnellement à l'angle azimutal, ou les spirales logarithmiques, telles que l'angle que fait le vecteur directionnel avec la direction radiale reste constant.
  • Conformément à l'invention, le conduit de fluide de travail solidaire du rotor se rapproche de l'axe de rotation lorsqu'on parcourt le circuit en tournant autour de cet axe, par rapport au -rotor, dans le même sens que le sens du rotation de rotor (et donc s'écarte de l'axe lorsqu'on tourne en sens opposé). Autrement dit, 'le fluide de travail circule à l'intérieur du rotor dans un conduit en forme de spirale qui impose aux déplacements relatifs azimutaux du fluide par rapport au rotor un même sens tout au long du circuit, et ce circuit est orienté de façon telle que le fluide se rapproche de l'axe s'il tourne dans le même sens que le rotor dans son déplacement relatif par rapport à lui, et qu'il s'en éloigne s'il tourne en sens opposé. L'orientation géométrique de la spirale dépend par conséquent du sens de rotation du rotor, mais elle ne dépend par du sens de déplacement du fluide dans son conduit. Naturellement, un même rotor peut comporter plusieurs, ou même un grand nombre, de conduits analogues, en série et/ou en parallèle sur le circuit de fluide de travail.
  • Les brevets américains 3 948 061 (Kidwell) et 4 010 018 (Kantor) décrivent déjà des dispositifs comportant des parties de circuits qui sont inclinées sur la direction radiale et ont la forme générale d'une spirale. Mais on peut observer, d'un point de vue qualitatif, que ces circuits sont inclinés tantôt dans le sens indiqué pour la présente invention, tantôt dans le sens inverse, ce que, en moyenne, ne permet pas d'obtenir l'effet procuré par l'invention. D'autre part, d'un point de vue quantitatif, ces descriptions n'imposent aucune condition aux paramètres géométriques et aux vitesses, et elles n'établissent pas de relation entre les forces de frottement et les forces de Coriolis.
  • On peut remarquer en outre que selon le brevet américain n° 2 948 061 il est prévu deux ensembles et deux spirales qui constituent l'une le condenseur l'autre l'évaporateur. Au sein de ces ensembles il est simplement prévu un changement de phases: ceci implique que la pression du fluide reste pratiquement constante dans un ensemble déterminé et exclut toute compression ou détente de fluide dans cette partie du circuit. De plus, le choix des longueurs respectives des spirales est effectué suivant l'état plus ou moins gazeux ou liquid du fluide de travail, et lorsque le fluide passe d'un ensemble à l'autre, les deux hélices qui se suivent s'enroulent dans des sens opposés.
  • Ainsi, des effets éventuels de forces de frottement (qui en fait n'existent même pas) du fluide sur les parois de ses conduits, ne pourraient en pratique que s'annuler d'une partie à l'autre du circuit.
  • On constate d'autre part que le brevet américain 4 010 018 (Kantor) s'inquiète essentiellement d'un contrôle d'impédance par une action sur le sens des variations des pertes de charges en fonction du dêbit du fluide, en tenant compte de toutes les forces qui agissent simultanément en chaque point: forces de Coriolis, forces centrifuges, foces de frottement et forces de pression. Il ne comporte aucune action particulière des forces de frottement considérées dans leur rapport avec les forces de Coriolis et décrit un grand nombre de conceptions particulières du conduits qui, en général, ne comportent pas de fractions de circuits en forme de spirale. Il s'agit plutôt de circuit constitués de parties successives, les unes essentiellement radiales, les autres essentiellement en secteurs circulaires, avec des zones de raccordement inclinées sur la direction radiale, tantôt dans un sens, tantôt dans l'autre.
  • Les conditions quantitatives imposées aux paramètres géométriques des conduits et aux conditions de fonctionnement dans la présente invention ont pour effet d'économiser de l'énergie mécanique ou d'améliorer son utilisation, en permettant des évolutions quelconques de l'enthalpie du fluide de travail en fonction de son entropie et en réduisant les dégradations de'énergie dues au comportement du fluide dans le conduit. Ce résultat est particulièrement obtenu lorsque le rapport entre la vitesse relative du fluide V et le produit de la vitesse angulaire de rotation ∞ par le diamètre hydraulique D du conduit n'est pas très supérieur à l'unité. En effet, les circulations secondaires et les structures dissipatives induites dans les turbomachines classiques pour les faibles valeurs du nombre de Rossby
    Figure imgb0002
    contribuent gravement aux pertes d'énergie utilisable. Ces effets sont particulièrement fâcheux dans les échangeurs tournants, où les surfaces de frottement sont grandes et où les vitesses de fluide sont nécessairement faibles. Dans ce contexte, l'invention permet d'utiliser les forces de frottement, pour contribuer au rétablissement de l'équilibre local dans chaque tranche de l'écoulement.
  • Conformément à l'invention, les caractéristiques géométriques du conduit du fluide de travail et les conditions de fonctionnement respectent en outre la relation d'inégalité stipulée plus haut, de telle sorte que dans leurs projections azimutales (projections orthogonales sur la direction perpendiculaire au plan méridien) la force de frottement exercée par la paroi du conduit sur le fluide et la force de Coriolis sont su même ordre de grandeur. En effet, la détermination des forces de frottement et des forces de Coriolis par les équations classiques fait intervenir la vitesse angulaire (ù du rotor, la vitesse relative V du fluide par rapport au rotor, le diamètre hydraulique D du conduit, le coefficient de frottement f du fluide sur les parois du conduit et l'angle A que fait avec le plan méridien le plan parallèle à l'axe du rotor et à la direction définie par le conduit au point considéré. On pourra ici, pour faciliter la compréhension, se reporter à la figure 1 des dessins annexés, où l'on a représenté en T la trajectoire d'un conduit, supposé dans un plan perpendiculaire axe, dans un rotor axé en O, tournant dans le sens de la flèche ∞, en V la vitesse relative, par rapport au rotor, d'un fluide en cours de compression dans le conduit, en C la force d Coriolis, en F la force de frottement, ainsi que les projections de ces forces sur la direction azimutale XX' (projections orthogonales).
  • L'invention permet ainsi d'éviter les variations locales de pression, et donc de vitesse, du fluide, et les dégradations d'énergie que en résultent dans les machines classiques, ou du moins de les réduire notablement. Elle utilise à cette fin, en combinaison, deux catégories de forces pour agir sur le fluide et constituer la projection azimutale des forces de Coriolis induites du fait de l'écoulement relatif du fluide par rapport au rotor, à savoir les forces de frottement qui s'exercent dans un direction parallèle à la surface des parois, et des forces de pression qui s'exercent dans une direction perpendiculaire à cette surface et qui sont les seules à jouer un rôle utile sur les aubages des machines classiques.
  • En pratique, les avantages de l'invention sont obtenus si en chaque point du conduit le rapport de la projection azimutale de la force de frottement à la projection azimutale de la force de Coriolis est compris entre 0,2 et 2 et la géométrie du conduit est déterminée pour que cette condition soit respectée sur toute la longueur du circuit, dans toute la gamme des débits de fluide et vitesses du rotor en fonctionnement. A titre de comparaison, dans les machines classiques, du fait que l'on s'y efforce de réduire les forces de frottement, ce rapport resterait inférieur ou au plus de l'ordre de 0,1.
  • Lorsque la condition selon l'invention est vérifiée, la vitesse relative V garde une valeur à peu près uniforme localement, pour des points situés dans le fluide, au voisinage des parois et à une distance donnée R de l'axe de rotation. Le coefficient f est déterminé au moyen de la relation
    Figure imgb0003
    où
    Figure imgb0004
    est la perte de charge par unité de longueur du conduit, mesurée lorsque le rotor est immobile et qu'on y fait passer le fluide de densité p avec une vitesse moyenne V. Le diamètre hydraulique D du conduit est égal à quatre fois le rapport entre sa section droite et le périmètre correspondant sur la paroi.
  • D'autre part, les rendements de compression et de détente sont d'autant meilleurs que le glissement du fluide par rapport au rotor est faible; il est avantageux dans ce but de limiter le rapport
    Figure imgb0005
    à une valeur inférieure ou très inférieure à 0,2.
  • Dans certains des modes de mise en oeuvre de l'invention, il est avantageux de combiner les effets mécaniques avec des apports ou des retraits de chaleur effectués par l'intermédiaire des surfaces de frottement que constituent les parois du conduit. On utilise alors ce conduit comme un échangeur de chaleur, qui peut constituer une source chaude ou une source froide, dans un cycle thermodynamique suivi par le fluide de travail. La chaleur peut être apportée à l'échangeur ou lui être retirée au moyen d'un fluide auxiliaire se trouvant de l'autre côté de parois tubulaires définissant le conduit du fluide de travail. En général, ce fluide auxiliaire circule avantageusement suivant des circuits en spirales parallèles à ceux du fluide de travail, dans le même sens que celui-ci ou en sens opposé. En variante, la chaleur peut être produite ou absorbée directement au sein même du fluide dans la zone du circuit constituant la source chaude ou froide.
  • Lorsque le conduit en spirale où circule le fluide pendant sa compression ou détente constitue un échangeur de chaleur, l'invention permet, en évitant les écarts locaux de vitesse du fluide à une distance donnée de l'axe, de s'affranchir également des inconvénients de variations locales de l'écart de température entre le fluide et les parois du conduit.
  • Lorsque le conduit est utilisé comme échangeur, l'analogie de Reynolds implique que le nombre de Stanton de l'écoulement soit très voisin du coefficient f/2. Pour obtenir, suivant l'invention, l'uniformisation des températures de parois à une distance donnée de l'axe, une façon de remplir la condition précédemment indiquée consiste à imposer que la quantité de chaleur échangée avec le fluide pendant que le rotor se déplace d'un radian soit comprise entre 0,4 fois et 4 fois le produit de la cotangente de l'angle A par la capacité calorifique par degré et à pression constante du fluide contenu dans la portion de circuit considérée, multipliée par l'écart moyen de température entre le fluide et la paroi.
  • Lorsque l'écoulement est turbulent, le coefficient f est pratiquement invariable dans toute la plage de fonctionnement du dispositif; la condition imposée selon l'invention implique alors que les grandes variations de débit de fluide soient accompagnées de variations dans la même sens de la vitesse de rotation w.
  • Lorsque l'écoulement est laminaire, la quantité fVD est proportionnelle à la viscosité cinématique du fluide µ/o. La condition imposée conduit alors à fixer entre deux limites numériques le nombre
    Figure imgb0006
    pour les vitesses co d'utilisation du dispositif. Si, par exemple, le conduit est matérialisé par des disques parallèles séparés par une distance D/2, le nombre ainsi défini peut être choisi pour rester compris entre 5 et 50 et de préférence voisin de 25.
  • En ce qui concerne l'angle A, les meilleures performances théoriques pour la puissance spécifique sont en général obtenues lorsque cet angle a une valeur constante comprise entre 30 et 45 degrés, les conduits ayant alors la forme de spirales logarithmiques. Mais les problèmes constructifs posés par la réalisation des faibles diamètres hydrauliques rendent très souvent préférable, surtout pour les échangeurs de chaleur et les écoulements turbulents, l'utilisation de trajectoires relatives ayant la forme de spirales d'Archimède avec des angles A supérieurs à 60 degrés ou très peu inférieurs à 90 degrés, en pratique jusqu'à 89 degrés.
  • La section droite du conduit peut avoir une forme quelconque. Ses parois comportent généralement des ailettes ou des corrugations que permettent, en particulier, de faire varier le diamètre hydraulique de l'écoulement et la vitesse relative V, en fonction de la distance R à l'axe.
  • Pour la disposition générale des conduits, trois configurations principales peuvent être adoptées: juxtaposition de disques empilés, perpendiculaires à l'axe, les conduits étant délimités dans le sens radial par des nervures en spirale solidaires des disques; rangées de tubes enroulés en spirales radiales et raccordés à des tubes collecteurs de plus gros diamètre, parallèles à l'axe du rotor; larges plaques nervurées disposées autour de l'axe à la manière d'un rouleau de tapis. Mais l'invention ne se limite pas à ces configurations les plus simples.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention qui peut être utilisée avantageusement en combinaison avec les conditions géométriques et fonctionnelles qui viennent d'être exposées dans un procédé de conversion d'énergie impliquant la circulation dans un rotor d'un fluide de travail décrivant un cycle thermodynamique, avec échange d'énergie mécanique ou thermique entre le rotor et l'extérieur, on utilise pour constituer le fluide de travail un gaz de faible chaleur spécifique, de préférence de masse moléculaire au moins égale à celle de l'azote, contenant en suspension des particules submicroniques d'un corps de masse atomique élevée, supérieure à 90.
  • Cette solution a l'avantage de concilier les impératifs de faible chaleur spécifique et masse atomique élevée, souhaitables pour accroître l'écart de température entre source chaude et source froide pour une vitesse périphérique donée du rotor (ou à l'inverse pour diminuer la vitesse de rotation) sans faire appel à des gaz lourds comme la vapeur de mercure, dont l'emploi n'est pas toujours possible, pour des raisons de corrosion chimique ou de nocivité. Toutefois, les dimensions des particules, au plus de l'ordre du micron, sont suffisamment faibles pour assurer l'homogénéité de température dans le fluide et pour que leur vitesse de glissement dans le gaz reste négligeable dans un fort potentiel de gravitation.
  • Le gaz support est avantageusement de l'azote ou un gaz monoatomique de masse atomique supérieure à la masse moléculaire de l'azôte, de préférence l'argon ou le krypton, ou éventuellement le xénon.
  • Les particules peuvent être constituées par des élément chimiques, de pureté commerciale habituelle, en phase solide, de masse atomique supérieure à 90, de préférence le tungstène, le plomb, le bismuth, le thorium ou l'uranium. Ces particules peuvent être recouvertes d'une couche très mince d'un composé desdits éléments chimiques, de préférence un oxyde en couche monomoléculaire, ou de tout matériau dispersif, dans le but en particulier de neutraliser les forces de Van der Vals.
  • L'épaisseur de ces particules est avantageusement au plus de 0,1 micron en moyenne, et de préférence compris entre 0,001 et 0,1 micron; la surface spécifique de la poudre ainsi constituée est supérieure à 5 mètres carrés par gramme. Dans ces conditions, on peut aisément obtenir les avantages de l'invention avec un rapport entre la masse de la phase solide et la masse de la phase gazeuse dans le mélange compris entre 0,25 et 8 environ. La présence de telles particules permet d'accroître la densité de fluide, qui conserve cependant la compressibilité d'un gaz. L'invention permet de privilégier artificiellement les échanges d'énergie mécanique par rapport aux échanges de chaleur.
  • Une autre façon d'accroître les écarts de température entre source froide et source chaude dans la mise en oeuvre d'un cycle thermodynamique complet, consiste à utiliser des échangeurs récupérateurs entre haute et basse pression, avantageusement inclus dans le mème rotor du dispositif de l'invention. Il est alors souhaitable d'utiliser pour le transfert de la chaleur récupérée par un circuit intermédiaire, un fluide dont la chaleur spécifique est beaucoup plus élevée que celle du fluide de travail, de façon à réaliser une sorte de pompe à chaleur interne à circulation naturelle dans le champ de pesanteur, prélevant automatiquement sur le cycle global la quantité d'énergie utilisable nécessaire pour compenser les frottements dans le circuit intermédiaire et fonctionnant avec un faible écart de température.
  • Par le choix de procédés particuliers de transfert de l'énergie utilisable entre le fluide et l'extérieur de rotor, it est possible d'assurer une étanchéité parfaite entre l'atmosphère et l'enceinte du fluide de travail. Une première façon, en elle-même connue, d'assurer cette étanchéité, consiste à utiliser un liquide ferromagnétique dans un joint tournant.
  • Une deuxième façon d'assurer cette étanchéité, suivant une variante particulière de l'invention, consiste à éviter tout joint tournant séparant l'atmosphère du fluide de travail et à utiliser, pour constituer le fluide de travail lui- même, une suspension de particules ferromagnétiques dans un gaz, ce fluide étant soumis à des champs magnétiques dont l'intensité varie en valeur absolue, créés par des aimants situés à l'extérieur du rotor.
  • Une troisième façon d'assurer cette étanchéité, suivant une variante préférée de l'invention, permet de supprimer tout joint tournant entre l'atposphère extérieure et un fluide de travail sans propriétés magnétiques particulières. Elle consiste à faire passer successivement le fluide de travail décrivantune évolution thermodynamique en circuit fermé dans les conduits du rotor, conformes au procédé faisant l'objet de l'invention, et dans les conduits d'un autre organe entièrement incorporé dans le rotor, cet organe de réaction étant maintenu artificiellement immobile, suivant une première variante, ou pouvant tourner autour de même axe que le rotor, mais avec une vitesse angulaire différente, éventuellement en sens opposé, suivant une deuxième variante. Dans les deux variantes, le mouvement relatif du rotor et de l'organe de réaction interne permet de transformer en travail, dans un sens ou dans l'autre, l'énergie utilisable contenue dans le fluide de travail.
  • Les modes de réalisation particuliers qui seront décrits plus en détails, à titre d'exemples non limitatifs, sont construits comme le montrent les représentations schématiques des figures 2 à 7 jointes, dans lesquelles:
    • La figure 2 représente un conduit élémentaire de fluide de travail, dans un dispositif de base suivant l'invention, ou machine I, selon une coupe transversale du rotor;
    • La figure 3 représente schématiquement, en coupe longitudinale, une machine Il selon l'invention qui constitue un moteur;
    • La figure 4 représente, en coupe longitudinale schématique, une troisième variante de réalisation de l'invention, où une machine III est un moteur à récupération intermédiaire fonctionnant avec deux sources thermiques pratiquement isothermes; et
    • Les figures 5, 6, 7, représentent les variations thermodynamiques du fluide de travail sur un diagramme température-entropie, respectivement par les machines I, II, III.
  • La figure 2 représente une coupé d'un dispositif de base fonctionnant en compresseur. Ce dispositif comporte, dans l'exemple correspondant à cette figure, un axe 1 au centre du rotor, entraîné en rotation dans la direction indiquée par la flèche 2, une enveloppe cylindrique 3 qui ceinture le rotor et surlaquelle sont reportés les efforts mécaniques exercés par le champ de gravitation sur les structures internes.
  • Le circuit de fluide comporte six tubes d'admission 4 et six tubes collecteurs 5, tout de gros diamètre et d'axes parallèles à l'axe du rotor, disposés de façon symétrique autour de l'axe du rotor. Les tubes d'admission sont reliés aux tubes collecteurs par des conduits 6, de petit diamètre, disposés en spirales, qui constituent les conduits du fluide de travail suivant l'invention. On a fait apparaître sur la figure l'angle A considéré ci-dessus. Dans le cas particulier, cet angle est proche de 86 degrés. Les conduits 6 sont ailetés intérieurement dans le sens longitudinal et sont disposés suivant des rangées jointives juxtaposées dans la direction axiale. Les points de connexion, sur un même tube d'admission, appartenant à des rangées successives différentes, sont décalés d'une rangée à l'autre dans le sens azimutal pour faciliter la réalisation des soudures, mais l'ensemble du montage présente une symétrie d'ordre six et est ainsi équilibré dynamiquement autour de l'axe de rotation. Les spirales sont décrites dans le sens opposé au sens de rotation du rotor lorsqu'on les parcourt en s'éloignant de l'axe. Dans le cas considéré, leur distance à l'axe s'accroît d'une quantité égale à six foix le diametre extérieur des conduits, pour chaque tour autour de l'axe dans le mouvement relatif par rapport au rotor.
  • Dans ce cas particulier, la valeur de tgA est en moyenne de 16 pour ce circuit. On considère, par exemple, le cas où ce dispositif est accouplé à un moteur synchrone tournant à la vitesse de 3000 tours par minute et où il doit fournir un débit correspondant à une vitesse de 10 mètres par seconde dans le conduit, le fluide entrant dans le conduit à une distance de 25 cm de l'axe et en sortant à une distance de 50 cm, sa densité étant suffisamment élevée pour que le nombre de Reynolds dépasse 105 et la rugosité des parois étant telle que le coefficient f reste constant et égal à 0,6%. On impose pour ces conditions une valeur
    Figure imgb0007
    Figure imgb0008
    Figure imgb0009
    des valeurs qui varient entre 0,4 et 1,6, ce qui permet de conserver la majeure partie des avantages de la présente invention. En remplaçant le moteur synchrone par un moteur dont la valeur d'utilisation peut varier de 1000 à 4000 tours par minute, il est d'ailleurs possible de faire varier un facteur supérieur à 12 les débits volumiques.
  • En variante, lorsque le despositif de la figure 2 fonctionne au régime nominal avec V=10 m/s et &)=314 radians par seconde et qu'on l'utilise comme source thermique fournissant de la chaleur à de l'eau circulant autour des tubes, on constate que, pour une chaleur spécifique à pression constante du fluide circulant à l'intérieur des tubes égale à 300 kilojoules par tonne et par degré et pour une température de ce fluide supérieure de 4°C à celle des parois, l'abaissement de température entre l'entrée dans le conduit, à une distance de 25 cm de l'axe, et sa sortie, à 50 cm de l'axe, est seulement de 18°C, alors que cet abaissement serait de 48°C pour la même vitesse de 10 m/s et le même écart de 4°C avec la paroi si le rotor était immobile, c'est-à-dire si le fluide n'était pas comprimé en même temps qu'il est refroidi. Pour une capacité calorifique de la masse de fluide contenu dans le conduit égale à 0,01 kilo- joule par degré et pour une densité moyenne du fluide de 0,1 t/m3, la chaleur cédée chaque seconde par le fluide est de 1,26 kilowatts.
  • La figure 5 indique, sur un diagramme température (t)-entropie (S), l'évolution de fluide entre l'entrée a et la sortie b. Le point a' correspond à la température qui serait obtenue à la sortie pour un écoulement adiabatique, c'est-à-dire sand circulation d'eau à l'extérieur des tubes. Le point b' correspond à la température qui serait obtenue à la sortie avec une circulation d'eau réglée pour obtenir un écart de température de 4°C entre le fluide et la paroi dans le rotor immobile. La courbe en pointillé représente une évolution isobare. Cet exemple montre bien que le dispositif suivant l'invention permet de réaliser une variation quelconque de la température et de l'enthalpie en fonction de l'entropie, de façon presque réversible. La vitesse de rotation du rotor et le sens de circulation du fluide déterminent la variation de l'énergie mécanique, tandis que l'écart de température entre le fluide et la paroi détermine les apports ou les retraits de chaleur. Dans le cas d'une évolution adiabatique, les avantages signalés pour un fonctionnement en compresseur se retrouveraient pour une turbine en intervertissant entrées et sorties du fluide.
  • Il apparaît d'autre part clairement que les conditions recherchées pour l'angle A et le diamètre hydraulique D peuvent être réalisées dans des configurations très variées. Les spirales de la figure 2 peuvent schématiser des nervures fixées à des disques perpendiculaires à l'axe de rotation; elles peuvent également représenter l'intersection avec un plan perpendiculaire à l'axe de rotation de deux nappes profilées soudées sur les deux bords et enroulées autour de l'axe de rotation en lui restant parallèles. On voit aussi que tous les artifices habituellement utilisés pour obtenir le coefficient f et le diamètre hydraulique D souhaités dans des échangeurs peuvent être mis en oeuvre pour obtenir des conduits satisfaisant aux conditions' caractérisant le procédé suivant l'invention.
  • La description des machines Il et III qui va suivre est destinée à montrer par des exemples comment le dispositif de base peut être incorporé dans diverses machines mettant en oeuvre des cycles thermodynamiques fermés. Les exemples choisis sont des moteurs, mais des dispositions analogues peuvent évidemment être adaptées pour des pompes à chaleur.
  • La machine II, représentée sur la figure 3, est un moteur dans lequel le fluide de travail décrit un cycle thermodynamique entre deux sources thermiques où il est à des températures différentes et où il échange de la chaleur avec un fluide auxiliaire extérieur, à travers les parois des conduits qui contrôlent sa circulation. La source chaude est constituée par un circuit d'eau pressurisée et la source froide par un circuit d'eau à la température ambiante. L'apport de chaleur s'accompagne d'une détente de fluide de travail et l'extraction de chaleur s'accompagne d'une compression.
  • Le fluide de travail circule dans le rotor 41 à l'intérieur d'un circuit dont une partie se situe dans un organe 59 qui est entièrement incorporé dans le rotor mais qui est maintenu immobile, par accouplement magnétique avec un appui fixe 55 situé à l'extérieur. Le circuit du fluide de travail est ainsi hermétiquement fermé vis-à-vis de l'extérieur du rotor. L'évolution thermodynamique est représentée par le diagramme de la figure 6, représentant les variations de la température en fonction de l'entropie. Elle consiste en une compression quasi-adiabatique de (d) à (e), une détente quasi-isotherme de (e) à (f), une détente quasi-adiabatique de (f) à (g) et une recompression quasi-isotherme de (g) à (d).
  • Le fluide de travail est du krypton, dont la pression dans le circuit est de plusieurs dizaines de bars à l'arrêt de la machine. Ce gaz contient une suspension d'une masse équivalente de fines particules de tungstène. Ces particules de tungstène ont une épaisseur de l'ordre d'un dizième de micron et elles sont recouvertes d'une couche monomoléculaire de carbure. La chaleur spécifique à pression constante du mélange est ainsi cinq fois plus faible que celle de l'air et le rapport des chaleurs spécifiques à pression et à volume constant reste assez élevé.
  • Le rotor 41 de la machine est capable de tourner à une vitesse périphérique comprise entre 400 et 500 m/sec. En fonctionnement, il entraîne un alternateur produisant de l'électricité, couplé à l'arbre axial 42 du rotor, au-delà des raccords de fluides auxiliaires, mais non représenté sur les figures.
  • Le circuit de fluide de travail et les circuits auxiliaires d'eau chaude et d'eau froide sont rigidement fixés à ce rotor qui comprend trois bâtis distincts, soit un bâti froid 43, un bâti chaud 44 et un bâti de contre-réaction 45, reliés indépendamment à l'axe de rotation pour diminuer les contraintes thermiques. Les deux sources thermiques sont constituées annulairement autour de l'axe du rotor, la source chaude étant plus éloignée de cet axe que ne l'est la source froide.
  • Le circuit principal comporte dans le bâti froid 43, trois tubes d'admission 46 et trois tubes collecteurs 47, de gros diamètre, dont les axes sont parallèles à l'axe du rotor, disposés autour de ce rotor sur deux cylindres concentriques. Ces tubes d'admission et ces tubes collecteurs sont reliés entre eux par des conduits 48, de petit diamètre, suivant une disposition analogue à celle du dispositif de base de la figure 2, mais avec une symétrie ternaire. Les conduits 48 sont ailetés intérieurement et l'importance de ces ailettes s'accroît lorsqu'on s'écarte de l'axe de façon que le produit de la section de passage par le diamètre hydraulique soit inversement proportionnel à la densité locale du fluide de travail. La suspension de tungstène dan le krypton constituant le fluide de travail circule à l'intérieur des conduits 48, suivant des circuits en spirales orientés de façon à tourner autour de l'axe de rotation, dans un sens opposé à celui de la rotation de la machine, lorsqu'on s'éloigne de l'axe. L'ensemble des tubes d'admission et des collecteurs de la partie froide s'appuie sur une structure mécanique permettant de transmettre les efforts centrifuges à une virole cylindrique extérieure du bâti 43.
  • Dans le bâti chaud 44 sont disposés trois tubes d'admission 51 et trois tubes collecteurs 52 analogues à ceux de la partie froide, mais de diamètre plus faible et disposeés respectivement plus loin et plus près de l'axe 42. Ces tubes sont reliés entre eux par des conduits 53, ailetés intérieurement, dont le diamètre est également plus faible que ceux de la partie froide. Ces conduits sont disposés en rangées juxtaposées dont chacune comporte trois spires enroulées dans un plan perpendiculaire à l'axe. Les spirales sont orientées de façon qu'on se déplace dans le même sens que celui de la rotation de la machine lorsqu'on se rapproche de l'axe de rotation. L'ensemble des conduits 53 s'appuie sur une structure mécanique transmettant la majeure partie des efforts centrifuges à une virole très épaisse du bâti 44 entourant l'ensemble de la zone chaude.
  • Les trois tubes collecteurs 47 de la zone froide sont reliés individuellement respectivement aux trois tubes d'admission 51 de la zone chaude par trois tubes radiaux de raccordement 54. Les dilatations différentielles sont compensées par la flexion de ces tubes radiaux. Les trois tubes collecteurs 52 de la zone chaude sont reliés à des orifices 57 du bâti de contre-réaction 45 par trois tubes de raccordement 56 comportant une partie radiale et une partie axiale.
  • Ces orifices 57, répartis annulairement, comportent des aubages analogues aux aubages distributeurs d'une turbine axiale et ils sont situés en regard d'aubages semblables 58 portés par un organe immobile 59. Cet organe immobile de détente comporte des conduits 61, de section décroissante, disposés en spirales orientées dans le même sens que le sens de rotation du rotor et aboutissant à des orifices 62, plus éloignés de l'axe de rotation, comportant également des aubages et situés en regard d'un diffuseur d'entrée dans le rotor.
  • L'organe immobile 59 a une forme annulaire; il repose sur un palier constitué par l'axe 42 du rotor, par l'intermédiaire d'un coussin de gaz 86 qui est obtenu par prélèvement d'un faible débit du fluide de travail entre les orifices 57 et 62 où les pressions statiques sont différentes et qui sépare la partie fixe de la partie mobile en assurant une lubrification aérodynamique. Des labyrinthes d'étanchéité, non représentés sur la figure, séparent les deux séries d'orifices 57 et 62. L'organe fixe 59 porte une partie d'un circuit magnétique 64 dont les polarités sont alternées dans le sens azimutal, ce circuit magnétique se fermant à travers le bâti 45 (dont l'épaisseur est faible dans l'entrefer 66) dans un support fixe, référencé 55, situé à l'extérieur du rotor.
  • Le circuit auxiliaire d'eau froide comprend und conduite d'admission 74, ménagée au centre de l'arbre du rotor, et des conduits annulaires d'échappement 75, reliés l'un et les aures à des dispositifs d'étanchéité annulaires de raccordement au réseau extérieur, schématiquement figurés en 76 et 77, et à des tubes radiaux 78 et 79, assurant leur raccordement à la boîte à eau froide qui entoure les conduits 48 de la partie froide, suivant une disposition analogue à celle de la machine I, sauf que l'eau y circule dans le même sens que le fluide de travail.
  • L'admission et l'échappement de l'eau chaude se font suivant des dispositions analogues à celles du circuit froid, au moyen des conduites d'admission 82, d'évacuation 83, et des conduits radiaux de raccordement 84 et 85. L'eau circule dans la boîte à eau chaude, autour des parois des conduits de fluide de travail, en se rapprochant de l'axe de la machine. Le circuit chaud est relié par l'intermédiaire de joints étanches tournants et d'une pompe à une dispositif de pressurisation et de réchauffage comportant des brûleurs à l'extérieur de rotor. Ces dispositifs n'ont pas été représentés sur les figures.
  • L'ensemble du rotor 41, avec ses bâtis chaud et froid 44 et 43, ainsi que le support fixe 55, sont enfermés dans une enceinte, non représentée sur la figure, à l'intérieur de laquelle on impose au moyen d'une pompe auxiliaire une pression d'air inférieure à 1300 pascals, ce qui permet de réduire les pertes par frottement sur la paroi extérieure des pièces en mouvement rapide.
  • Lorsque la machine Il de la figure 3 est en fonctionnement, le fluide de travail décrit le cycle thermodynamique de la figure 6. Il est comprimé quasi-adiabatiquement dans les tubes 54, pendant son transfert de la zone froide à la zone chaude, et il s'échauffe, par exemple de 300°C. Cette transformation est globalement adiabatique pour le mélange de krypton et de tungstène, mais elle ne l'est pas pour le krypton considéré séparément; la température du krypton est très légèrement supérieure' celle du tungstène qui joue la rôle de puits de chaleur. Le champ de gravitation augmente l'enthalpie par unité de masse de mélange et il en résulte une forte augmentation de la densité et de la pression.
  • Malgré l'importance des accélérations, la vitesse de glissement du tungstène par rapport au gaz reste négligeable en comparaison de la vitesse moyenne de l'écoulement et l'agitation turbulente contribue à homogénéiser le mélange. Les transformations sont donc proches de la réversibilité.
  • Dans les conduits 53 de la zone chaude ((e) à (f)), le mélange cède au rotor de l'énergie mécanique correspondant à la variation de l'énergie potentielle due à la rotation. Comme l'écart de température entre l'eau et le fluide reste faible, le fluide sort de la partie chaude avec une température diminuée d'une vingtaine de degrés comme celle de l'eau. Pendant cette transformation, la chaleur reçue par le fluide de travail est égale à la variation de l'énergie potentielle due à la rotation diminuée de la variation d'enthalpie. En même temps, la densité est divisée par un facteur important; le diamètre des tubes est déterminé de façon que la vitesse du fluide par rapport au rotor soit de l'ordre de 15 mètres/seconde au milieu de la zone chaude.
  • Le fluide est ensuite détendu de façon globalement adiabatique, d'abord dans les trois tubes 56 solidaires du rotor, ensuite dans l'organe immobile 59 où sa température statique continue à décroître au profit d'une augmentation d'énergie cinétique qui lui permet de revenir dans le rotor en 62, à un niveau différent de potentiel gravitationnel. Cette zone de détente est celle où le rendement thermodynamique est le plus bas, mais les pertes restent cependant du même ordre de grandeur que dans deux étages successifs d'une turbine axiale et elles portent uniquement sur le travail utile du moteur. La détente se termine dans le rotor et le fluide pénètre dans la zone froide à une température un peu supérieure à la température d'entrée de l'eau de refroidissement. Dans les conduits 48 de la zone froide, le fluide cède sa chaleur (de (g) à (d)) en s'éloignant à nouveau de l'axe, et son déplacement azimutal s'effectue en sens inverse de la rotation du rotor. Il reçoit un travail mécanique prélevé au rotor. Ce travail est un peu supérieur à la chaleur cédée à l'eau froide, parce que son enthalpie s'accroît d'une vingtaine de degrés.
  • Au total, le bilan des variations de l'énergie gravitationnelle est nul. Le rotor échange avec l'organe immobile 59 un travail mécanique égal à la différence des quantités de chaleur que le fluide de travail a reçu de la source chaude et a fourni à la source froide.
  • Dans le circuit d'eau froide, les variations de densité de l'eau dans le champ de gravitation tendent à favoriser son mouvement dans le sens voulu et on n'a pas besoin de pompe d'alimentation. Le circuit d'eau chaude requiert par contre une petite pompe auxiliaire, non représentée sur la figure, parce que la densité dans le champ de gravitation diminue entre l'entrée et la sortie.
  • La puissance du moteur est contrôlée par le débit du courant d'eau chaude, au moyen d'une vanne placée sur le circuit de la pompe auxiliaire.
  • La machine III qui est représentée sur la figure 4 est un moteur fonctionnant entre deux sources presque isothermes et utilisant un récupérateur intermédiaire. La chaleur est apportée au rotor par rayonnement à une température voisine de 600°C et la source froide est refroidie par une circulation d'air atmosphérique. Un organe de réaction aérodynamique 99 est incorporé dans le rotor.
  • Le fluide de travail est du xénon dont la pression est de plusieurs dizaines de bars à l'arrêt de la machine; il décrit un cycle thermodynamique représenté schématiquement par la figure 7, qui indique les variations de la température (t) en fonction de l'entropie (S). Il reçoit la chaleur de récupération entre (h) et (i); il se détent dans la source chaude entre (i) et (j), restitue la chaleur de récupération entre (j) et (k) et il est recomprimé dans la source froide entre (k) et (h). Dans la machine III, la détente s'effectue dans l'organe de réaction 99 qui tourne à l'intérieur du rotor 91, mais en sens inverse. Le rotor 91 contient la source froide 92 et la source chaude 93, de part et d'autre de récupérateur 94.
  • Dans ce rotor 91, le circuit de fluide de travail comprend successivement les tubes périphériques 95 du récupérateur 94; qui décrivent des hélices axiales, d'une extrémité à l'autre de récupérateur dans le sens longitudinal, les tubes ou conduits en spirales 96 de la source chaude 93, les tubes en hélices 97 de la zone interne du récupérateur 94, les tubes ou conduits 98 en spirales de la source froide 92.
  • Le circuit passe ensuite à l'intérieur d'un organe de réaction 99 analogue à celui de la machine II, qui est mobile en rotation autour du même axe que le rotor 91, mais indépendamment de celui-ci. Dans cet organe, le circuit est formé par des tuyères 101 se raccordant aux conduits du rotor 91 par des chambres annulaires comportant des aubages axiaux. Il s'agit de tuyères convergentes enroulées autour de l'axe de la machine en spirales orientées dans le même sens que le sens de rotation du rotor lorsqu'on s'éloigne de l'axe.
  • Le circuit de l'air de refroidissement dans la source froide 92 passe par des aubages parallèles à l'axe du rotor, repérés 111, fixés à la périphérie du rotor en regard de diffuseurs fixes d'entrée et de sortie. L'air passe en 102 suivant des trajectoires spiralées entre les conduits 98 de la source froide, qui comportent des ailettes extérieures très développées. Il s'écoule ensuite radialement en s'écartant de l'axe pour sortir du rotor en 103.
  • Le fluide auxiliaire utilisé dans la source chaude 93 est de l'eutectique NaK qui circule dans des canaux 104 situés au voisinage d'une surface radiale 105 du rotor, chauffée par rayonnement, puis entre les conduits 96 du circuit principal. Un volume d'expansion contennant de l'argon est ménagé en 106.
  • Le fluide auxiliaire du circuit récupérateur est de l'hélium sous forte pression, contenant une suspension de particules submicroniques de graphite. Le circuit de fluide auxiliaire comporte des tubes radiaux 107 et 108 pour passer d'une chambre annulaire externe contenant les tubes 95 à une chambre annulaire interne contenant les tubes 97, respectivement en sens aller et en sens retour. A l'aller, le fluide auxiliaire passe par une capacité 109 dont l'entrée et la sortie sont décalées dans le sens azimutal, ce qui permet d'obtenir par effet d'inertie, au moment de la mise en route de la machine, un mouvement amorçant la circulation de ce fluide auxiliaire dans le sens souhaité.
  • On peut noter que le circuit d'air comporte une phase de détente avec apport de chaleur, ce qui contribue à diminuer la quantité d'énergie mécanique qui lui est apportée par le rotor pour entretenir sa circulation à l'encontre du champ gravitationnel (puisque sa densité décroît) et des forces de frottement. Les ailettes 1 1 des diffuseurs d'entrée et de sortie lui apportent l'énergie complémentaire nécessaire à son mouvement.
  • Le circuit de NaK ne comporte pas de pompe. Il fonctionne spontanément par circulation naturelle parce que les canaux 104 sont disposés de façon que la zone d'échauffement par rayonnement soit un peu plus éloignée de l'axe de rotation que la zone de refroidissement de ce fluide auxiliaire au contact des parois des conduits 96.
  • Le circuit d'hélium fonctionne également comme une pompe à chaleur en circuit fermé dans le champ de gravitation du rotor 91. L'écart moyen de température entre les tubes internes 97 et els tubes périphériques 95 du circuit récupérateur est supérieur à l'écart de température correspondant à l'équilibre adiabatique du mélange d'hélium et de graphite dans le champ de gravitation et la circulation se fait naturellement. Pour amorcer la circulation dans le sens convenable les orifices du conduit d'hélium dans la capacité 109 sont en retrait l'un de l'autre dans le sens azimutal comme on l'a indiqué plus haut.
  • La figure 7 représente l'évolution du fluide de travail en prenant comme référence la température d'arrêt par rapport au rotor 91. Entre la sortie et rentrée dans ce rotor, le fluide de travail se détend dans les tuyères 101, de façon quasi-adiabatique, en augmentant son énergie cinétique. La différence des énergies potentielles dues à la rotation détermine la quantité d'énergie utilisable libérée par le mouvement relatif du rotor et de l'organe mobile interne 99 (organe de réaction aérodynamique). La puissance du moteur est contrôlée par l'intermédiaire du flux de rayonnement parvenant sur la face 105 du rotor. Dans le cas particulier décrit, l'énergie libérée par l'action du fluide sur le rotor 91 et l'organe 99 est utilisée dans un générateur d'électricité représenté sur la partie gauche de la machine de la figure 4.
  • Il s'agit d'un générateur asynchrone, dont les enroulements triphasés d'induit 112 sont fixés au rotor de la machine, qui tourne en sens inverse de l'organe 99. On a schématiquement représenté en 113 trois contacts électriques fixés à l'axe du rotor 91, qui relient respectivement chacun des enroulements 112 à un circuit triphasé extérieur à la machine, dans lequel le système débite de l'énergie active. L'organe mobile 99 ne comporte pas d'enroulement électrique, mais seulement des conducteurs 114 situés à la périphérie, parallèles à l'axe et court-circuités à leurs extrémités (montage dit en cage d'écureuil).
  • Cet organe ne comporte pas d'évidements internes et son moment d'inertie est proche de celui du rotor 91.
  • Bien que cela n'apparaisse par sur le dessin, on peut préciser que l'alimentation du palier aérodynamique 117 et le refroidissement du circuit électrique sont assurés par prélèvement du fluide de travail, en dérivation sur sa partie la plus froide, entre 115 et 116.
  • En rappelant que l'invention n'est en rien limitée aux machines particulières qui ont été décrites à titre d'exemples, on soulignera ci-après certaines des caractéristiques de l'invention qu'elles illustrent.
  • Dans des machines selon l'invention, les conduits de fluide peuvent être notamment constitués par des tubes ailetés qui décrivent des spirales d'Archimède et qui sont connectés en parallèle sur le circuit de fluide selon une symétrie de révolution d'ordre ternaire au minimum. Le fluide de travail peut circular soit à l'intérieur, soit à l'extérieur de ces tubes.
  • Pour que la totalité des transformations puisse se faire dans un seul rotor, dans le cas d'un moteur ou d'une pompe à chaleur fonctionnant en circuit fermé, on peut utiliser un fluide ferromagnétique. Mais, en général, le fluide doit passer dans le rotor et dans un organe fixe, ou dans le rotor et dans un organe tournant à une vitesse différente.
  • Pour résoudre les problèmes d'étanchéité, on peut (machine II) faire passer le fluide de travail dans une enceinte d'accélération ou de relantissement qui est située à l'intérieur des parois du rotor mais qui reste immobile par rapport à l'extérieur, la transmission des forces nécessaires pour compenser le couple moteur ou résistant de la machine étant assurée au moyen d'un accouplement magnétique. On peut aussi (machine III) faire passer le fluide d'un premier rotor à un second rotor, ce second rotor étant entièrement situé à l'intérieur du premier, ayant un moment d'inertie comparable à ce premier rotor et tournant en sens inverse, le couple qu'exercent l'un sur l'autre les deux rotors contrarotatifs étant équilibré par des forces magnétiques exercées sur des enroulements électriques qui jouent le rôle d'induit ou d'inducteur. Ces circuits électromagnétiques permettent d'extraire de l'énergie utilisable du fluide de travail, ou au contraire de lui communiquer de l'énergie mécanique par l'intermédiaire d'énergie électrique pénétrant dans le rotor principal au moyen de contacts tournants.
  • Parmi les principaux avantages de l'invention, on soulignera en particulier les suivants:
    • - utilisation de cycles thermodynamiques de rendements élevés grâce à des évolutions presque isothermes sans changement d'état;
    • - réduction des dégradations d'énergie dans les transformations thermodynamiques quelconques;
    • - mise en oeuvre des suspensions solides pour les transferts de chaleur ou les conversions d'énergie;
    • - simplicité de conception d'un nouveau type de pompes, compresseurs ou turbines;
    • - suppression des problèmes de cavitation dans les pompes et d'érosion dans les turbines;
    • - réduction du bruit des turbomachines;
    • - élargissement des possibilités de choix pour les propriétés du fluide de travail et pour l'agencement des différents organes dans toutes sortes de machines thermiques;
    • - intégration de plusieurs transformations thermodynamiques dans un même organe de conception simple.
  • Naturellement, la portée du présent brevet n'est pas limitée aux particularités et dispositions préférées mentionnées dans le cadre des machines décrites de manière détaillée. Par exemple, les spirales planes ne constituent qu'un cas particulier de conduits à azimut variable. Elles pourraient être remplacées par des courbes présentant en projection perpendiculairement à l'axe des formes de spirales planes, mais s'étendant en volume parallèlement à l'axe. Toutes les variantes de tels conduits, de même que toutes les variantes des divers éléments des dispositifs et machines décrits, font également partie de la présente invention. L'invention s'étend également à de nombreuses variantes des procédés décrits. Elle s'applique par exemple à des procédés où le fluide de travail subit des changements de phase par évaporation ou condensation, à l'iniérieur de conduits où il se déplace à des vitesses relativement faibles.

Claims (11)

1. Procédé de conversion d'énergie impliquant au moins une étape de compression ou détente d'un fluide de travail à l'intérieur d'un rotor et dans lequel on fait circuler le fluide de travail dans un conduit solidaire du rotor qui décrit un circuit ayant la forme d'une spirale, cette spirale étant orientée de façon que le conduit se rapproche de l'axe de rotation du rotor lorsqu'on parcourt le circuit en tournant autour de cet axe dans le même sens que le sens de rotation du rotor, caractérisé en ce que l'on impose aux caractéristiques géométriques du conduit et aux conditions de fonctionnement qu'en chaque point du conduit la vitesse angulaire w du rotor, la viteese relative V du fluide dans le conduit, le diamètre hydraulique D du conduit, le coefficient de frottement f du fluide sur les parois du conduit et l'angle A que fait avec le plan méridien au point considéré le plan parallèle à l'axe du rotor défini par la direction du circuit en ce point, respectent en fonctionnement la condition:
Figure imgb0010
2. Procédé de conversion d'énergie impliquant au moins une étape de compression ou détente d'un fluide de travail en circulation dans un rotor et décrivant un cycle thermodynamique, caractérisé en ce que l'on fait circuler le fluide de travail dans un conduit constitué selon la revendication 1 et dans les conditions correspondantes, et en ce que sur une fraction au moins dudit circuit, le conduit constitue une source chaude ou une source froide où de la chaleur est apportée au fluide de travail ou en est retirée.
3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le fluide de travail est à l'état gazeux au moins dans l'une desdites sources.
4. Procédé de conversion d'énergie selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'on utilise pour constituer le fluide de travail un gaz de masse moléculaire au moins égale à celle de l'azote, contenant en suspension des particules de dimension inférieure ou au plus égale à 0,1 micron d'un corps de masse atomique élévée, supérieure à 90.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le gaz est choisi parmi l'azote, l'argon, le krypton et le corps de masse atomique élevée parmi le tungstène, le plomb, le bismuth, le thorium, l'uranium.
6. Dispositif de compression ou détente d'un fluide de travail comportant un rotor (3) à sens de rotation déterminé (2) dans lequel sont ménagés des conduits (6) de fluide de travail définissant un circuit en spirale, caractérisé en ce que les caractéristiques géométriques desdits conduits respectent en fonctionnement les conditions du procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5.
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend des parois d'échange thermique tubulaires (48) définissant au moins une partie desdits conduits, et des moyens de circulation d'un fluide de travail et d'un fluide auxiliaire respectivement de part et d'autre desdites parois.
8. Dispositif selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que lesdits conduits sont constitués par des tubes (48) décrivant des spirales d'Archimède, qui sont connectés en parallèle sur le circuit de fluide, selon une symétrie de révolution d'ordre ternaire au minimum.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour faire circuler tour à tour le fluide de travail en circuit fermé dans lesdits conduits du rotor et dans des conduits ménagés à l'intérieur d'un organe en déplacement relatif par rapport au rotor autour du même axe, et des moyens de couplage mécaniques ou électromagnétiques entre ledit rotor et ledit organe permettant de convertir une partie de l'énergie utilisable dudit fluide de travail en énergie mécanique.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que dans des zones différentes du rotor, lesdits conduits se trouvent à des distances de l'axe différentes d'une zone à l'autre, lesdites zones constituant l'une source chaude, l'autre une source froide pour le fluide de travail circulant dans les conduits.
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