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PROCEDE DE TRANSFORMATION DE CHALEUR ET INSTALLATION POUR SA
REALISATION L'invention concerne la technique de la chaleur et peut être utilisée dans des installations de fabrication du froid, de conditionnement d'air et d'alimentation en chaleur.
Les ouvrages techniques nous apprennent l'existence de nombreux procédés de transformation de chaleur (cycles thermodynamiques) et des installations pour leur réalisation.
Actuellement, les procédés les plus répandus sont ceux où l'on utilise, en tant qu'agent moteur, des liquides ayant la température d'ébullition proche à la température ambiante. Les plus répandus parmi eux sont les fréons. Les réfrigérateurs, les pompes à chaleur et d'autres transformateurs de chaleur à base de ces liquides sont compacts, économiques et ils sont largement utilisés dans l'industrie, mais l'impact nocif de ces substances sur l'atmosphère de la Terre a abouti à un projet d'interdiction universelle de leur utilisation.
Le moyen radical pour sortir de la situation existante serait le retour à l'utilisation, en tant qu'agent moteur des transformateurs de chaleur, de l'air c'est-à-dire, du milieu ambiant même. Parmi les cycles classiques les plus efficaces sont les cycles de Carnot et de Stirling dont le processus principal est la compression et l'expansion isothermes du milieu gazeux. Ces cycles sont d'application dans certaines conditions spécifiques, mais ils n'ont pas connu une utilisation à grande échelle à cause de la complexité de réalisation de la compression et de la raréfaction isothermes du milieu gazeux.
Le procédé qui se rapproche le plus au procédé proposé est celui de Thomson (Kelvin). Le cycle de Thomson consiste en ce que l'on fait dilater, d'une manière adiabatique, l'air du milieu ambiant dans un détendeur, après quoi, on amène à l'air raréfié et refroidi la chaleur du milieu ambiant, à pression constante. L'air, chauffé jusqu'à la température du milieu, est soumis à la compression, d'une manière adiabatique, dans un compresseur jusqu'à la pression atmosphérique.
L'air, chauffé durant le processus de compression, est utilisé directement pour le chauffage d'un local d'habitation, par exemple. La transmission de chaleur : air raréfié - paroi - milieu ambiant, étant faible, on est obligé de régler le cycle sur une telle différence des températures caractéristiques où il devient peu efficace.
Le but de la présente invention est d'élaborer le cycle thermodynamique ainsi qu'une installation pour sa réalisation avec la possibilité de transmission de chaleur : agent moteur-milieu ambiant, avec une faible différence des températures caractéristiques.
Ce but est atteint grâce au fait que l'amenée de la chaleur vers le milieu gazeux raréfié s'effectue à volume constant, par la poussée de ce milieu à travers un
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échangeur de chaleur par le piston d'une machine thermique qui accomplit le cycle, lors du retour du piston. La capacité spécifique d'absorption de l'énergie insuffisante du cycle est compensée par le placement de toute la machine dans l'atmosphère plus dense d'un ballon hermétique ou par l'augmentation de la vitesse de rotation d'une machine à deux rotors.
Les fig. 1,2, 3,4, 5,6 et 7,8, 9 présentent le procédé et l'installation.
La fig. 1 présente le diagramme de l'air, comprenant les isothermes To, T TT et le cycle thermodynamique 0-1-2-3-0 du procédé proposé.
La fig. 2 présente le schéma de principe de la machine thermique pour la réalisation de ce procédé (variante 1).
Les fig. 3,4, 5 et 6 présentent les phases principales de fonctionnement de la machine à piston.
La fig. 7 présente le schéma de principe de l'installation pour la réalisation de ce procédé (variante 2).
Les fig. 8 et 9 présentent les phases principales de fonctionnement de la machine à deux rotors.
L'installation pour la réalisation du procédé (variante 1) se compose d'un ballon 1, voir fig. 2, dans lequel on place une machine à piston avec un cylindre de commande 2 et un piston 3 actionné par une bielle-manivelle. Le cylindre de commande est muni de quatre clapets commandés. Le clapet 4 est un clapet d'admission ; le clapet 5, clapet d'échappement ; les clapets 6 et 7 sont des clapets de by-pass qui relient l'espace du cylindre à l'appareil d'échange thermique 8, le clapet 5 relie l'espace du cylindre à l'appareil d'échange thermique 9. Dans le but d'extraction de la chaleur des appareils d'échange thermique, on a installé des dispositifs 10.
L'installation pour la réalisation du procédé (variante 2) se compose d'un corps cylindrique 11, voir fig. 7, à l'intérieur duquel sont disposés deux rotors 12 et 13 avec leur paire de palettes (le ballon 1 ne figure pas sur le dessin). Le plan diamétral 0-0-0 divise la machine en deux parties autonomes dont la partie supérieure fonctionne comme compresseur et la partie inférieure fonctionne comme détendeur. Dans la partie supérieure (compresseur) du corps, il y a une fenêtre d'aspiration 14 et une fenêtre d'échappement 15 ; dans la partie inférieure (détendeur), il y a une fenêtre de remplissage 16 et une fenêtre d'échappement 17. Chaque rotor est relié à la commande de rotation irrégulière (ne figure pas sur le dessin). La machine est présentée au moment où les deux rotors ont la même vitesse.
L'installation (variante 1) fonctionne comme suit :
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Au début de la course aller du piston 3 (voir fig. 3), les clapets de by-pass 6 et 7 sont fermés pour toute la course aller. Le clapet d'admission 4 est ouvert, le clapet d'échappement 5 est fermé. Dans la partie gauche du cylindre, il se produit une aspiration d'une nouvelle portion de gaz, et ce à la pression Po dans le ballon et à la température To du ballon et du milieu ambiant. Dans la partie droite du cylindre, il se produit une compression du gaz passé par l'appareil d'échange thermique 8, le gaz ayant la température initiale To et la pression P2.
A cette phase, la pression Po dans la partie gauche du cylindre est supérieure à la pression P2 dans la partie droite, et c'est pour cette raison que le gaz fournit du travail au piston qui transmet le travail à la commande de la bielle-manivelle.
Après l'admission d'une portion calculée de gaz, on ferme le clapet 4 (voir fig.
4). Juste avant cela, la pression dans la partie gauche est devenue égale à celle dans la partie droite, c'est-à-dire, la compression s'est terminée (voir partie 2-3 sur le diagramme, fig. 1). La pression dans la partie droite a atteint la valeur PO, et la température a atteint la valeur TT, le clapet d'échappement 5 s'est ouvert, et le processus d'évacuation de la chaleur dans l'appareil d'échange thermique 9 a commencé (3-0 sur le diagramme). Simultanément, dans la partie gauche du cylindre, la raréfaction du gaz a commencé, avec la diminution de la température. Le processus 0-1, voir le diagramme (fig. 1). Ce processus se termine à la position extrême droite du piston 3 (voir fig. 5). La pression dans la partie gauche a atteint la valeur inférieure P, et la température a atteint la valeur inférieure Tx.
Au début du retour du piston (voir fig. 6), on ouvre les clapets de by-pass 6 et 7 qui relient la partie gauche du cylindre à sa partie droite via l'appareil d'échange thermique 8. Le retour du piston pousse le gaz de la partie gauche du cylindre dans la partie droite, sans fournir du travail, à volume constant (voir processus 1-2 sur le diagramme, fig. 1). Suite à la chauffe de ce gaz dans l'appareil 8, la température du gaz monte jusqu'à la valeur T 0 - la température du milieu ambiant-et la pression monte jusqu'à la valeur P2. A la fin du retour, le cycle se termine et tous les processus se répètent dans la suite telle que décrite ci-dessus.
La chaleur dans l'appareil d'échange thermique 9 est évacué par le dispositif 10 (processus 0-3), et la chaleur du milieu ambiant est amenée, également par le dispositif 10, dans l'appareil d'échange thermique 8 (processus 1-2).
L'installation pour la réalisation du procédé (variante 2) fonctionne comme suit : La commande de rotation irrégulière des rotors, au moment présenté sur la fig.
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7, fait tourner les rotors 12 et 13 dans la direction W, et W2 avec la même vitesse, mais le rotor 12 accélère et le rotor 13 ralentit, de ce fait, le volume entre leurs palettes, dès la position 0-0-0, commence à augmenter, et les volumes des côtés opposés commencent à diminuer de manière telle que présentée sur la fig. 8. Les creux qui s'élargissent devant les palettes du rotor 13 (dans le sens de la rotation) aspirent, dans la partie droite de la machine, par la fenêtre 14, l'air préchauffé jusqu'à la température To, de l'échangeur de chaleur vers la partie supérieure de la machine, et dans la partie gauche de la machine, par la fenêtre 16, les creux aspirent l'air du milieu ambiant vers la
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partie inférieure de la machine.
Simultanément, les creux devant les palettes du rotor 12 se réduisent et avec cela, dans la partie supérieure, une des palettes du rotor 13 ferme la fenêtre d'échappement 15 en assurant ainsi la compression adiabatique du gaz avec son réchauffement dans la partie supérieure (processus 2-3 sur le diagramme, fig. 1), et dans la partie inférieure, la fenêtre d'échappement 17 est ouverte, et le gaz, refroidi lors du cycle précédent, est poussé à travers cette fenêtre et l'échangeur de chaleur 8 pour être aspiré dans la partie supérieure. Puisque le total des volumes des creux contigus est toujours le même (le volume entre les palettes opposées du même rotor moins le volume d'une palette de l'autre rotor), il se produit un processus isochore lors de la poussée du gaz à travers l'échangeur de chaleur (voir processus 1-2 sur le diagramme, fig. 1).
Après fa du cycle, le rotor 12 atteint la vitesse maximale et le rotor 13 atteint la vitesse minimale ou égale à 0 (suivant la structure de la commande de rotation irrégulière), et leurs palettes prennent la positon telle que présentée sur la fig. 7 par des lignes pointillées. Dans cette position, la palette du rotor 13 va ouvrir la fenêtre d'échappement 15 de la partie supérieure, et l'air chaud commencera à sortir (processus 3-0 sur le diagramme, fig. 1). A partir de ce moment la commande de rotation irrégulière des rotors commence à faire tourner le rotor 12 avec ralentissement et le rotor 13 avec accélération.
La palette du rotor 13 va fermer la fenêtre de remplissage 16 de la partie inférieure (voir fig. 9), et dans le creux de détente de la partie inférieure, le processus d'expansion commencera avec accomplissement du travail et refroidissement. Ce processus se déroule jusqu'à la fin du cycle, quand les vitesses des deux rotors deviennent égales et les rotors prennent la position telle que présentée sur la fig. 7, mais les palettes du rotor 12 prennent la place des palettes du rotor 13. Ouvert au maximum, le creux de la partie inférieure est rempli, à la fin du cycle, d'air raréfié et refroidi, et le creux similaire de la partie supérieure est également rempli d'air raréfié mais préchauffé dans l'échangeur de chaleur 8 jusqu'à la température ambiante par l'air du cycle précédent, de la partie inférieure.
Le procédé proposé de transformation de chaleur peut être réalisé par deux types d'installations : Variante 1 (à piston) est à utiliser de préférence dans des transformateurs de chaleur, entre deux fluides caloporteurs ayant des niveaux de température différents.
Variante 2 (machine à deux rotors) est à utiliser de préférence dans des pompes à chaleur pour le chauffage à air chaud des locaux, où la source inférieure de chaleur est l'eau (de rivière, de mer, souterraine).