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Machine pour la production de gaz sous pression.
L' invention concerne une machine pour la produc- tion de gaz sous pression dans laquelle ua piston déplaceur chasse les gaz de travail d'une manière connue à travers un accumulateur de chaleur alternativement d'une chambra de travail froide dans une chambre de travail chaude chauffée par une com- bustion interne, et inversement: et est ainsi mis à même, uni- quement par l'action directe de la chaleur, d'aspirer de l'air atmosphérique, ou n'importe quel autre gaz, et de refouler cet air ou autre gaz à une pression élevée.
L'invention repose sur cette constatation que, d'une part les quantités de travail développées par cette
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machine est le facteur essentiel déterminant le cycle thermo- dynamique de la quantité -- appelée ci-après "quantité de dé- placement" -- d'agent de travail gazeux travaillant dans la chambre de travail, quantité qui passe de la chambre de travail froide dans la. chambre de travail chaude à travers l'accumulateur de chaleur pendant la section de travail-- appelée ci-après "période de refoulement " - pendant laquelle la quantité de gaz comprimée lors de la course de refoulement, -- et appelée ci-après "quantité utile" -- est refoulée de la chambre de travail dans le tuyau à gaz sous pression;
et que, d'autre part, il n'est pas nécessaire, comme jusqu'à ce jour, de cons- ti tuer la " quantité de déplacement par une fraction de l'agent -le travail existant dans la chambre de travail, et qu'il est au contraire plus avantageux d'introduire de l'extérieur, pen- dant la période de refoulement, une quantité de gaz séparée à titre de "quantité de déplacement".
Dans les machines antérieures de ce genre, la "quantité de déplacement" était en effet soumise dans la chambre ' de travail froide, conjointement avec la compression de la "quantité utile" à la compression qui constituait une partie du circuit thermo-dynamique de la dite "quantité de déplacement- et qui précédait son passade à travers l'accumulateur de chaleur et, directement après la compression, cette quantité était tranférée, à titre d'élément de la quantité de gaz existant da s la chambre de travail, de la chambre de travail froide à la chamibre de travail chaude à travers l'accumulateur de chaleur.
Par suite, les conditions qui régnaient dans la ' chambre de travail froide, étaient lex facteurs essentiels, déterminant l'état dans lequel s'effectuait l'entrée de la " quantité de déplacement" dans l'accumulateur de chaleur. Toutefois du fait que, suivant l'invention, la"quantité de déplacement"
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est introduite dans la chambre de travail de l'extérieur et seulement pendant la période de refoulement, on peut choisir l'état de la "quantité de déplacement", c'est-à-dire aussi bien la température que la, pression de cette quantité, d'une façon indépendante de l'état de gagent de travail à son entrée dans la chambre de travail.
Comme il sera expliqué plus loin, la quantité de travail spécifique, c'est-à-dire le rendement de la machine, peut ainsi être augmentée, ou bien on peut faire en sorte que la machine produise en même temps directement du travail mécanique. Conformément à cela, la chambre de travail de la machine suivant l'invention est munie sur le côté froid du ou des accumulateurs de chaleur d'un organe d'admission com- mandé par lequel, après que la pression maximum des chambres de travail de la machine a été atteinte, des gaz comprimés peuvent être introduits dans la chambre de travail de la machine, à travers le ou les accumulateurs de chalevr; pendant la période de refoulement.
Sur .le dessin sont représentées schématiquement et à titre d'exemples,trois formes de réalisation de l'objet de l' invention.
Fig.l est une coupe longitudinale schématique d'un compresseur à gaz travaillant en circuit ouvert et actionnant une turbine à air comprimé,
Fig.2 est une coupe schématique d'un compresseur à gaz actionné par un combustible gazeux, travaillant en circuit de surpression fermé et actionnant une turbine à air comprimé.
Fig.3 montre en coupe schématique un compresseur à gaz muni d'un réfrigérant construit intérieurement.
Fig.4. montre le tiroir obturateur commandé disposé entre le cylindre auxiliaire et l'accumulateur de chaleur.
Dans la fig.l, A désigne la machine, basée sur les principes
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principes connus, servant à produire des gaz sous pression, et ap-nelée ci-après "compresseur" mette machine étant composée d'un cylindre 1 dans le-quel le piston déplaceur 2 peut recevoir un mouvement alternatif. Ce piston reçoit sa commande de vilebre- quin 3 a l'aire du coude 4. Le vilebrequin reçoit sa commande d'une manière quelconque.
On peut par exemple utiliser à cet effet une fraction de la puissance d'un moteur à air comprimé B qui doit être actionné par le gaz sous pression produit par la machine A. 5 est une accumulateur de chaleur dont le côté froid est désigné par 5a, et dmt le côté chaud est désigné par
5b, Entre le côté chaud 5b de l'accumulateur de chaleur et le piston 2 se trouve la chambre de travail chaude 6b, La chambre qui se trouve sur le côté froid % de l'accumulateur de chaleur communique par le tuyau de communication 7, contournant l'accu- mulateur de chaleur 5, avec la chambre de travail froid 6a située de l'autre côté du piston 2. 8 est une pompe à combus- tible qui introduit par exemple un combustible liquide par la tuyère 9 dans la chambre de travail chaude 6b.
Bien entendu, on peut utiliser un combustible gazeux. Si l'on fait usage de gaz de combustion comme agent de travail, c'est-à-idre si les gaz aspirés sont incapables d'entretenir la combustion, il faut en outre introduite de l'air de combustion. 10 désigne des clapets d'aspiration et 11 désigne les clapets de refoulement dont les chambres communiquent par le tuyau 12 avec un réservoir sous pression 13. Le gaz comprimé de ce réservoir peut être conduit à tout lieu d'utilisation désiré.
Suiva t l'exemple représenté, le gaz comprimé doit, en vue de produire un travail mécanique, alimenter par le tuyau 14 le moteur à air comprimé B 15 désigne un cylindre auxiliaire dans lequel se meut le piston 16 qui est relié au vilebrequin 3 sous un angle tel, eu égard au piston 2, que le dit piston 16 a déjà. effectué une partie importante de sa course montante quand le piston 2 est à son point mort infé- rieur.
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Ce cylindre auxiliaire peut encore être supprimé dans les constructions simples de la machine, auquel cas la chambre qui se trouve au-dessous du côté froid 5a de l'accu- mulateur de chaleur est isolée de l'extérieur, non pas à l'aide d'un piston mobile, mais à l'aide d'une paroi fixe 15a disposée au-dessous de l'orifice du tuyau 7 (paroi représentée en traits mixtes sur la fig.l)
On supposera d'abord que la machine travaille sans cylindre auxiliaire et que l'accumulateur de chaleur se trouve dans son état d'équilibre ou de permanence dans lequel son côté froid 5a possède approximativement la température de l'air extérieur et son côté chaud 5b une température aussi élevée que possible, soit environ 900 C
On supposera en outre que le piston 2 se trouve à sa position la plus basse,
la chambre 6a étant rempl i e de gaz froid. Lorsque le piston 2 monte, le gaz froid est refoulé hors de la chambre 6 par le tuyau de communication 7, traverse l'accumulateur de chaleur 5 et pénètre dans la chambre chaude
6b.. Dans son passage à travers l'accumulateur de chaleur 5, le gaz est chauffé par cet accumulateur jusqu'à sa température maximum.
Par suite de ce chauffage, il s'effectue, pendant que le gaz est transféré à la chambre de travail chaude 6b, une augmentation de volume du gaz transféré, laquelle augmenta- tion occasionne une augmentation de pression en raison de la constance du volume total des deux chambres de travail 6a, 6b, pendant le mouvement du piston. Pendant que le piston 2 effectue sa course ascendante, la pression augmente graduellement, à peu prèsjusqu'à la position x-x, jusqu'au moment où elle atteint celle qui s'exerce sur le clapet de refoulement 11.
En conti- nuant à monter, le piston refoule une nouvelle quantité de gaz froids
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froids à travers l'accumulateur de chaleur dans la chambre chaude 6b Dans son passage à travers l'accumulateur de chaleur, jette quantité de gaz est de nouveau chauffée jusqu'à la tempé- rature la plus haute de l'accumul .teur, puis elle est encore chauffée par la combustion du combustible introduit en 9.
Par suite de la dilatation de ces gaz, qui se produit pendant le chauffage, une quantité de gaz correspondant à l'augmentation de valume est délivrée, pendant la période de refoulement qui commence alors, de la chambre froide 6a dans le réservoir à gaz sousi pression 13 par le clapet de refoulement 11 et le tuyau 12,
La période de refoulement dure de la position x-x jusqu'à la fin de la course d'élévation du piston 2, c'est-à-dire pendant que le piston parcourt la distance h2, A commencement de la course de descente du piston 2, le gaz chaud qui se trouve dans la chambre 6b est refoulé à travers l'accumulateur de chaleur 5 et par le tuyau de communication 7 dans la chambre de travail froide 6a, En passant à travers l'accumulateur de cha- leur,
le gaz se refroidit et subit par suite une diminution de volume provoquant à son tour une diminution de pression en rai- son de la constance du volume total. Après que le piston 2 a parcouru une certaine distance dans son mouvement de descend soit lorsqu'il atteint une position y-y, la pression régnant dans les chambres de travail est descendue au-dessous de la pression extérieure à laquelle est soumis le clapet d'aspiration 10. Le piston 2 continuant à descendre, le clapet 10 s'ouvre et de l'air frais provenant de l'atmosphère, ou n'importe quel autre gaz provenant d'un réservoir, est aspiré. Il ressort de ce qui précède que, pendant une course double du piston 2, les quatre périodes ou phases e travail suivantes se déroulent:..
1. Du point mort inférieur jusqu'à la position x-x c'est-à-dire sur la distance h1 de la course d'élévation, la pression
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pression du contenu entier des chambres de travail augmente, une partie de l'agent de travail qui se trouve dans ces chambres étant transférée du côté froid au côté chaud à travers l'accu- mulateur de chaleur, ce qui effectue l'élévation de pression, et c'est pourquoi on appellera. cette quantité d'air " quantité de compression".
2. De la position x-x au point mort supérieur, c' est-à-dire sur la distance h2, s'étend la -période de refoule- ment, c'est-à-dire qu'une fraction des gaz comprimés qui se trouvent dans la chambre froide 6a, à savoir la "quantité utile" est refoulée sous la pression la plus haute dans le tuyau de refoulement. En mme temps, une'autre fraction du gaz se trouvant dans la chambre de travail froide, à savoir la "quantité de déplacement" est transférée uniquement du côté froid au côté chaud 6bvà travers l'accumulateur de chaleur et reste dans la chambre de travail.
3. Du point mort supérieur à la position y-y, c' est-à-dire pendant le parcours h3 s'effectue la diminution de pression du contenu entier des chambres de travail.
4. De la position y-y au point mort inférieur, c' est-à-dire pendant le par cours h4, des gaz frais sont aspirés dans la chambre de travail froide 6a
Pendant ces deux dernières périodes de travail, les quantités de compression et de déplacement reviennent du côté chaud au côté froid à travers l'accumulateur de chaleur.
Si l'on néglige les résistances de frottement et la différence qui existe entre les aires du piston 2 sur le côté chaud et le côté froid, par suite (le la tige de piston, le mouvement entier du piston s'effectue, par suite de l'égalité constante des pressions régrant sur les deux faces du piston, sans dépense de travail mécanique extérieur ainsi que sans déve-
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loppcment de travail mécanique de la paru piston.. Le travail d'aspiration et de compression est obtenu uniquement sous forme d'une action directe de la chaleur introduite avec le combus- tible.
Le moteur 13 actionnant l'arbre 3 n' a donc à fournir qu'un travail suffisant pour vaincre les résistances dues au mouvement/ travail qui he constitue qune faible fraction de celui emmaga- siné dans les gaz sous pression produits aux dépens de la chaleur de combustion utilisée.
Comme il ressort de ce qui précède, une partie seulement h2 de la course délévation entière h du piston 2 est utilisée pour la période de refoulement et une partie seulement h4 de la course de descente entière du piston 2 est utilisée pour la période d'aspiration, ce qui nuit au rendement volume- trique e la machine puisqu'une fraction h1 (ou K13 de la course est nécessaire pour l'élévation (ou la chute) de pression.
Lorsqu' on utilise le piston auxiliaire 16, dont la course de pression s'effectue en avance par rapport à la course montante du piston 2 et élève ainsi la pression régnant dans les chambres de tra/ail à la pression de refoulement, Mais dont la descente, effectuée après que la course de refoulement du iciston 2 est terminée, diminue la pression régnant dans la chambre de travail à la pression d'aspiration, le "quantité de compression", c'est- à-dire la quantité de gaz qui doit passer à travers l'accumula- teur de chaleur pendant les première et troisième périodes h1 et h3 en vue d'élever ou d'abaisser la pression, peut être di- minuée notablement.
Par conséquent.; la course de refoulement peut déjà commencer à une position plus basse X1-X1 du piston 2, et la course d'aspiration peut déjà commencer à une position plus haute V1-V1 dudit piston. Une fraction plus grande de la cour -se du piston 2 est par conséquent utilisée pour la période de refoulement et pour la période d'aspiration
Les gaz comprimés produits peuvent, ainsi qu'il
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a été mentionné plus haut, recevoir des applications quelconques mais actionnent de préférence un moteur à air comprimé B, de telle sorte qu'on obtient une installation de force motrice thermo-pneumatique dans laquelle le moteur à air comprimé B produisant le travail mécanique peut effectuer en outre la commande du piston principal 2 et celle du piston auxiliaire 16.
Le moteur B peut être un moteur à détente, ou peut comme il ressort de la fig.2 travailler de telle sorte qu'au lieu que les gaz sous pression recueillis du réservoir 13 soient détendus jusqu'à la pression atmosphérique pendant le dévelop- pement de travail dans le moteur B, ils possèdent encore à la sortie du dit moteur une pression supérieure à celle de l'at- mosphère et soient conduits dans un réservoir sous pression 26 de tension moindre. La machine A aspire, alcrs hors de ce réser- voir, par les clapets 10, les gaz comprimés de pression p1 et élève leur pression à la pression plus élevée p2 du réservoir 13. Dans ce cas, le compresseur A et le moteur B travaillent suivant un circuit fermé, dont la pression minimum 1 1 est plus grande que celle de l'atmosphère.
Suivant l'invention,, les ensembles de machine décrits plus haut, et par eux-mêmes connus sont rendus plus efficaces par ce fait que la "quantité de déplacement", au lieu .d'être prise dans la chambre de travail froide 6b du compres- seur thermique lui-même est introduite d'une source externe par un organe d'admission commandé 18 relié au côté froid 5a de l'accumulateur de chaleur 6 en 17 (fgi.1 et 2) Dans l'exemple d'exécution de la fig.l, la "quantité de déplacement" froide pénétrant dans la chambre de travail froide à la pression maximum se rend du réservoir à gaz sous pression 13 à l'organe d'admission 18 par la dérivation 24 et à travers un réfrigérant 25.
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La commande 18a. de 1' organe d'admission 18 est établie de telle sorte que l'ouverture d'admission s'ouvre après que la pression de refoulement a été atteinte dans la chambre
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'3e travail 6 Eb à la fin de la période de compression .,1, o'est-à-iire à la position i-x ou Xl-Xl du piston, et reste ouverte rendant la période de refoulener-t
Grâce à cette disposition, on obtient que, pendant la période de refoulement, grâce à l'organe d'admission 18, la "quantité de déplacement" est conduite au côté froid de l'accumulateur de chaleur, sous forme de gaz snus pression dont l'état diffère e celui de la quantité de gaz qui s-e trouve dans la chambre de travail froide 6a, et possède notamment la même pression, mais une température plus basse que cette der-
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nière.
Pfcii-Hnt la rrrinde e refoulement, la "quantité de dépla- jernent" introduite de l'extérieur est transférée du côté froid 5a de l'accumulateur ,.le chaleur à la chambre de travail chaude
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6.h à travers l'accumulateur . Par conséquent, pendant la pé- riode de refoulement h2, il n'est pas nécessaire de faire passer à travers l'accumulateur 5, par le tuyau de communica-
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tion 7, de oaz sus pression provenant e la chambre froide z qui se trouve au-dessus du piston 2.Au contraire, la quantité entière de gaz snus pression que renferme la chambre de travail froide 6a est refoulée au dehors à travers le clapet de refou-
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lement 11.
Les avantages ainsi obtenus sont multiples:
L'avantage le plus direct réside dans l'élévation du rendement volumétrique du compresseur car la quantité de gaz qui, autrement, devait passer sous forme de "quantité de
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-1éplaueI(.E:ùt "penrlant la période e refoulement de la chambre -le travail froide au c<>té chaud est refoulée à l'extérieur sous forme de quantité de gaz utile et augmente par conséquent la quantité de gaz utile.
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Un second avantage réside dans le fait que le tuyau de communication 7 ne travaille pas rendant la période de refoulement puisqu'il ne peut passer de gaz de la chambre de travail froide à l'accumulateur de chaleur par le dit tuyau pendant cette période. On évite ainsi les pertes de frottement résultant d'un tel mouvement de gaz.
Un troisième avantage réside dans le fait que la température du côté froid de l'accumulateur de chaleur peut être maintenue à la température minimum du cycle de travail, c'est-à-dire celle du réfrigérant, sans qu'il soit besoin de disposer un réfrigérant à l'intérieur de la chambre de travail de la machine. Ceci procure des avantages relatifs au rendement thermique et d'autres avantages relatifs au rendement volumé- trique.
Un quatrième avantage découle fait que, dans la production de la quantité de gaz comprimé introduite par 1'organe d'admission 18, une compression exothermique peut être appliquée.
Un cinquième avantage découle du fait que la quantité de gaz introduite par l'organe d'admission 13 peut êtes délivrée à une pression plus élevée que celle régnant dans la chambre de travail froide, ce qui a comme résultat que le compresseur-- travaillant, autrement sans développement de travail extérieur-- contribue à développer du travail extérieur.
Un sixième avantage réside dans l'augmentation du rendement mécanique.
Pour pouvoir estirrer à leur juste valeur les avantages dûs au fait que le réfrigérant n'a pas besoin d'être disposé dans la chambre de travail elle-même, il faut d'abord faire remarquer que, dans le compresseur A, comme dans toutes les machines thermiques transformant de la chaleur en travail,
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il ne suffit -cas, came on le sait, en raison des principes thermo-dynamiques, de délivrer uniquement de la chaleur et u' il faut au contraire '{.voir soin de céder au éliriner une certaine quantité de chaleur sous une forme quelconque.
Dans le compresseur, le mode d"élimination particulier de la chaleur ressort de ce qui suit:
Dans toutes les constructions du compresseur B, le gazs qui se trouve à la fin de la période d'aspiration, c'est- a-dire du parcours.1:14, dans la chambre de travail froide 6a, et qui possède une température relativement basse Tl, est comprimé adiabatiquement à une température relativement haute
T correspondant à l'élévation de pression de la valeur p1 à la valeur p2 pendant la période de compression suivante,- c'est- à-dire pendant le parcours h-1 Dans les constructions de com- presseur connues jusqu'à ce jour dans lesquelles la "quantité de déplacement " n'est pas délivrée de l'extérieur ..une fraction du gaz comprimé adiabatiquement arrive sur le côté chaud,
sous fonr.e de "quantité de déplacement", par l'intermédiaire de l'accumulateur de chaleur 5, pendant la période de refoule- ment h2, Comme, conformément à l'exposé du début, c'est préci- sèrent la "quantité de déplacement' qui effectue le circuit thermo-dynamique produisant le travail, il faut que la chaleur éliminée provienne de cette "quantité de déplacement" et il faut que,notamment,ce sot la chaleur de compression de cette quantité qui soit éliminée d'une manière quelconque par refroi- dissement, Si ceci n'avait pas lieu, la différence de tempéra- ture entre le côté froid et le côté chaud de l'accumulateur de chaleur, différence qui est essentielle pour le fonctionne- ment du compresseur,
serait peu à peu détruite -- comme il sera démontre plus loin.--
L'élimination de cette chaleur de compression s'effectuerait d'une manière connue, de la façon la plus directe, par un réfrigérant k placé en amont du côté froid de l'accunu- lateur
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lateur de chaleur (fig.3) lequel réfrigérant absorberait la chaleur de compression de la "quantité de déplacement" avant l'en trée dans l'accumulateur de chaleur, de sorte que cette quantité pénétrerait dans l'accumulateur 5 à la température T1 du réfri- gérant.
Par conséquent, si le côté froid 5a de l'accumu- lateur de chaleur possède déjà la température T1, cette tempé- rature ne sera pas modifiée par le passage de la dite quantité de gaz. Par centre, si le côté froid de l'accumulateur de chaleur venait à être porté à une température plus élevée par un excès de chaleur, cette température serait constamment ré- duite à la température la plus basse Tl par les gaz entrants qui arrivent à l'état refroidi du réfrigérant. La différence de température entre le côté chaud et le côté froid de l'accumu- lateur de chaleur est donc constamment maintenue et le côté froid de l'accumulateur de chaleur reçoit toujours la tempéra- ture la plus basse T1 du circuit thermo-dynamique.
La disposition du réfrigérant dans la chambre de travail elle-même est toutefois préjudiciable. En effet, une telle disposition exige des constructions coûteuses et diffi- ciles à exécuter si, dans l'espace relativement faible dont on dispose, c'est-à-dire avec de faibles dimensions, on veut obte- nir un grand effet de réfrigération. Toutefois, même dans ce cas, le réfrigérant effectue une augmentation importante de l'es- pace nuisible. Du fait que, suivant l'invention, il n'est pas nécessaire de disposer de réfrigérant dans la chambre de tra- vail , les inconvénients cités plus haut sont supprimés.
Le fait de disposer le réfrigérant à l'extérieur de la chambre de travail est connu en soi, rrais, dans la dispo- sition connue, la température du côté roid de l'accumulateur ne pouvait être maintenue qu'à une valeur supérieure à la tempéra- ture du réfrigérant, ce qui nuisait au rendement thermique et à
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la puissance ou quantité de travail spécifique de la machine.
En effet, s'il n'existe pas de réfrigérant dans la chambre -le travail elle-même, la chaleur de c ompression de la "quant té de déplacement" n'est pas extraite de cette quan- tité avant l'entrée dans l'accumulateur de chaleur. Cette quan- tité. de chaleur sera par conséquent délivrée, à l'entrée dans l'accumulateur de chaleur, au côté froid 5a du dit accumulateur la température de ce côté $' élevant ainsi à T2. Il s'ensuit que la quantité de gaz revenant au côté froid pendant les périodes suivantes de détente et d'aspiration h3 et 1,4 quitte l'accumu- lateur de chaleur à cette température plus élevée T2.
La température T2 de cette quantité de gaz qui re- vient s'élèvera à une valeur encore plus élevée T3 pendant la période de compression adiabatique suivante h1,La chaleur de compression adiabatique correspondante sera alors délivrée au côté froid 5a de l'accumulateur de. chaleur, lorsque le, "quantité de déplacement" suivante entrera dans le dit accumulateur, de sorte que la température de ce côté s'élèvera à T3. La tempéra- ture du côté froid de l'accumulateur s'élèverait ainsi constam- ment jusqu'à ce que la différence e température entre le côté jhaud et le côté froid e l'accumulateur disparaisse peu à peu, par suite, l'action de l'accumulateur, et en même temps celle du compresseur, ne se produiraient plus.
En réalité, la différence de température entre le côté froid et le côté chaud de l'accu- mulateur ne disparait pas complètement si l'on a soin que la quantité fraîche de gaz utile aspirée pendant la période d'aspi- ration pénètre constamment à la température la plus basse T1 Ceci est par exemple de suite le cas si le compresseur aspire di- rectement dans l'atmosphère de l'air dont la température est supposée égale à T1
En pareil cas, comme on va le voir, on obtient bien une certaine différence de température entre le côté froid et le / côté
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côté chaud de l'accumulateur, mais le côte froid atteint une température qui est nécessairement plus élevée que la tempéra- ture la plus basse T1 du cycle de travail.
La quantité fraîche d'air utile aspirée à cette température la plus basse Tl est en effet comprimée dans la chambre de travail froide pendant la première période de compres- sion h1, de la température Tl à la température T2 correspondant à l'élévation de pression aliabatque de p1 àp2 Pendant la période de refoulement h2 qui suit, une fraction de ce gaz com- primé est transférée au côté chaud s nus forme de "quantité de déplacement" et, dans l'entretemps, élève la température du côté froid de l'accumulateur à la, valeur T2 à son entrée dans l'accumulateur.
Cette quantité revient par suite égaleront du côté chaud à la chambre de travail froide à la température T2 Pendant la période d'aspiration suivanth4, cette quantité reve- mant à la température T2 se mélange alors avec la quantité d'air utile fraîchement aspirée de température Tl, de sorte qu'on b otient dans la chambre de travail froide une température de mélange Tl, qui est supérieure à T1 mais inférieure à T2 Pen- dant la deuxième période de compression qui suit, la compression adiabatique s'effectue de la température de mélange T1' à une température de compression T2' qui est supérieure à T2 puisque Tl était aussi supérieure à T1 Pendant la seconde période de refoulement,
le côté froid de l'accumulateur de chaleur s'é- chauffe à la température supérieure T2' dans le transfert de la seconde "quantité de déplacement" . La quantité de gaz reve- nant alors du côté chaud à la même température T2' se mélange maintenant une fois de plus pendant la période d'aspiration suivante h4 avec la quantité d'air utile fraîchement aspirée de température T1, On obtient donc dans la chambre de travail froide une seconde température de mélange T1"qui est comprise erlre T1' et T2' et qui est supérieure à la température de mélange antérieure
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antérieure Tie.
Par la répétition continuelle de ces processus, le coté froid de l'accumulateur atteint finalement une tempera" ture limite Te et la chambre de travail froide atteint à la. f i de la période d'aspimtion une température de mélange limite T]3L . Cet températures limites seront atteintes lorsque Te
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sera exactement égale à la température de compression adiabatique
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température à laquelle s'élève la température de mélange Tex de la chairbre le travail froide pendant la compression de la. valeur Jq à la valeur Ig. En effet, dans ce cas, la "quantité de déplacement" pénètre déjà dans l'acouatilateur de chaleur à la température f da cIté froid -- possédant la même tempéra- ture -- dudit ,ccumu3ateur, c'est-à-dire sans effectuer on nouvelle élévation de température du coté froid de l'accumla- teur.
Toutefois, la. quantité de gaz revenant du etté chaud au côté froid à la température Te se úlal\5" pendant la ,.ried8 d'aspiration, avec la quantité d'air utile fraîchement aapirie qui possède la tempéra¯re Tl. pour recevoir de nouymux axao- tement la température de mélange 1'1x' qui régnait à la fin de la période d'aspiration précédente. Dans cet état de pernoe,. la quantité de chaleur à éliminer est donc celle qui cerr88JHllDd à la quantité e déplacement oscillant alternativement dans l'aa et l'autre sens, à travers l'accumalateur de chaleur et à la différence de température entre Tif et 'rl:1:. Cette quantité de
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chaleur est exactement égaler la chaleur de cèdres sien de la
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quantité de déplacement qui a préoédeB<Mnt été désignée ocra
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devant être éliminée.
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Cette chaleur de 0 cmpressioJ;1éat donc éliminée dans le cas décrit en raison du fait qu'elle est ooumniquée par mêlant pendant la période d'aspiration 14 à la quantité de gaz utile fraîchement aspirée, et qu'elle est délivrée avee élit
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à l'extér ieur. Dans ce cas, la quantité de gaz utile aspirée à. la température la plus basse T1 exerce donc l'action de refroidissement nécessaire, maisle résultat du refroidissement est moins parfait que dans l'application d'un réfrigérant dis- posé à l'intérieur de la chambre de travail.
En effet, en premier lieu, le côté froid ce 1' accumulateur de chaleur ne peut être maintenu à la .température la plus basse Tl et, au contraire, reçoit une température plus élevée T2x et, en second lieu, la compression de la "quantité de déplacement" dans la chambre de travail froide -- compression dite "développement , de la .machine de travail froid"- a lieu non pas comme dans un réfrigérant disposé dans la chambre de travail, entre les températures T1 et T2, mais entre les températures plus élevées T1x et T ce qui diminue le rendement thermique.
Les mêmes conditions de température sont obtenues si le compresseur A travaille avec la machine d'utilisatinde pression B en circuit fermé suivant la disposition représentée fig.2 et si l'on fait en sorte que la quantité de gaz utile aspirée horsdu réservoir à basse pression 26 pénètre constamment à la température minimum T1 dans le compressour
Le otite froid de l' accumulateur de chaleur atteint, également dans ce cas, la température limite T2x, et il règne également la température de mélange limite T1x à la fin de la période d'aspiration.
La compression s'effectue de la tempéra- ture de mélange T1x, qui est supérieure à Tl, à, exactement, la température T2x, qui est supérieure à T2; et la quantité de gaz utile est refoulée à cette température T dans le réservoir à gaz sous pression 13. La quantité de gaz utile sortant de ce réservoir se rend à la machine B utilisant la pressionet subit dans cette machine -- en développant un travail utile correspondant -- une détente adiabatique. Comme cette détente a lieu entre- les limites de pression p2 et p1 entre lesquelles
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s'est effectuée la compression, la température s'abaisse -- si l'on néglige les pertes de chaleur -- de nouveau exactement à
T1x, valeur qu'elle possédait dans le compresseur A au commen- cement de la compression.
La quantité de gaz utile s'échappe donc, après qu'elle a développé du travail dans la machine B, à la température T1xet arrive à cette température dans le réeer- voir à basse pression 26. Il faut donc, par l'application d'un réfrigéra .± k, préférablement disposé dans le réservoir à basse pression 26, lui-même, comité indiqué en pointillé sur la fig.2 avoir soin que la quantité de gaz utile soit refroidie de T1x à T1., afin qu'elle pénètre de nouveau à cette température dans la compresseur A pendant son circuit.
En refroidissant la quantité de gaz utile de T1x àT1 dans le réfrigérant, on obtient précisément la chaleur de compression de la "quantité de déplacement" qui,pendant la période d'aspiration, avait élevé par mélange jusqu'à T1x dans le compresseur, la température Tl de la quantité de gaz utile aspirée laquelle chaleur, ainsi qu'on l'a déjà dit plus haut, doit absolument être éliminée.
La nécessité absolue de la disposition d'un réfri- gérait dans une machine travaillant suivant un circuit fermé ressort en même terrps immédiatement de ce qui précède. En effet, si l'on n'utilisait pas de réfrigérant, le gaz s'échappant de la machine qui utilise la pression et pénétrant dans le réservoir 26, dans le cas d'une entrée de gaz non refroidi dans le com- presseur A, enmmènerait la chaleur produite par la compression de la quantité de déplacement, lors du cycle de travail pré- cédent età laquelle s'ajoute toujours la chaleur de compression de la qualité de déplacement qui a été développée dans le cycle de travail suivant,
de sorte que dans l'agent de travail et pendant son circuit les chaleurs de compression de la "quantité
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d.e déplacement" se développant dans tous les cycles de travail précédents s'accumulant et effectuent une élévation de tempé- rature continuelle du gaz dans le réservoir 26. Par conséquent, il faudrait que la température du gaz pénétrant dans le com- presseur et du côté froid de l'accumulateur de chaleur atteigne graduellement la température la plas haute e l'accumulateur de chaleur.
Si le compresseur travaille en circuit ouvert, la disposition d'un réfrigérant spécial à l'extérieur de la machine est superflue car, dans ce cas, la quantité de gaz utile s' échap- pant de la machine utilisant la pression dans l'atmosphère libre est refroidie par l'atmosphère à la température ambiante Tl et une quantité d'air équivalente est aspirée par le compresseur dans l'atmosphère à la température Tl . Dans ce cas, l'atmosphère se comporte elle-même à la façon d'un réfrigérant.
Il ressort de la description qui précède des conditions de température que, dans les constructions connues du compresseur thermique, la température du côté froid de l'ac- cumulateur de chaleur ne peut être maintenue à la température la plus basse Tl que si le réfrigérant est disposé dans la chambre e travail .S'il est disposé à. l'extérieur, cette température reçoit une valeur plus grande T2x Toutefois, cette élévation de température occasionne une diminution du fondement volumétrique et de la quantité de travail spécifique de la machine.
En effet, plus la température du coté froid de l'accumulateur de chaleur peut être maintenue basse, c'est-à- dire plus la différence de température entre les côtés chaud et froid dudit accumulateur est grande, et plus les "quantités de déplacement " transférées pendant la période de refoulement du côté froid au côté chaud de l'accumulateur de chaleur doivent être
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être faibles pour déplacer vers l'extérieur, -par leur augmen- tation de volume, la quantité de gaz utile.
Plus la fraction de la quantité de gaz qui se trouve dans la chambre de travail froide et qui est requise comme quantité e déplacement par le dép;acement -le la quantité utile est faible et plus la quantité délivrée à l'extérieur est grande et par conséquent plus le rendement volumétrique du compresseur est élevé. Toutefois, comme la construction -- donnant lee conditions de température les plus favorables-- du réfrigérant dans la chambre de travail présente par contre les inconvénients susmentionnés, il était désirable de trouver les moyens faisant l'objet de l'invention et d'obtenir ses conditions de température les plus favorables même dans le cas de réfrigérants extérieurs.
Par conséquent, comme suivant l'invention, la "quantité dd déplaceront " introduite à l'état comprimé à la pression de refoulement provient d'une source externe, elle peut, avant son introduction, être refroidie rar un réfrigérant extérieur 25 (fi.l) à la température la plus basse Tl et être conduite dans cet état par le tuyau 17 à l'ac simulateur de chaleur. Le côté froid de ce dernier sera donc constamment. maintenu à la température la plus basse T1
Le réfrigérant 25 nécessaire à cet effet se trouve toutefois à l'extérieur des chambres de travail et peut donc recevoir une contenance de toute grandeur désirée sans augmen- ter l'espace nuisible.
Par conséquent, le réfrigérant peut, sans autre considération, être construit de la façon la plus simple, par exemple sous forme de réfrigérant à ruissellement, et est en outre d'accès facile.
L'action duréfrigérant disposé à l'extérieur de la chambre e travail suivant l'invention diffère essentielle- ment de l'action du réfrigérant disposé d'une panière connue à
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l'extérieur de la chambre de travail en ce sens que, alors que dans ce dernier refroidissement de l'agent de travail qui doit être introduit dans la chambre de travail avait lieu jusqu'à la limite de pression inférieure et que l'agent de travail froid était introduit dans la chambre de travail pendant la période d'aspiration on refroidit suivant l'invention, l'agent de travail à introduire dans la chambre de travail, après qu'il a été comprimé jusqu'à la pression de refoulement, c'est-à-dire jusqu'à la limite de pression supérieure,
et on l'introduit dans la chambre due travail pendant la période de refoulement après qu'il a atteint la pression maximum régnant dans cette chambre.
Suivant l'invention, il est donc important que la "quantité de déplacement "introduite pendant la période de refoulement soit, après avoir été comprimée au moins jusqu'à la pression de refoulement puis refroidie, introduite à froid daus la chambre de travail à un moment après lequel elle ne subit plus dans la chambre de travail aucune nouvelle augmenta- t ion de pression, et par suite aucune augmentation de tempéra- ture, et pénètre au contraire à sa température la plus basse dans l'accumulateur de chaleur.
Il résulte de l'observation faite au début, à savoir que c'est la "quantité de déplacement " dont le circuit thermo-dynamique fournit le développement de travail du com- presseur, que le facture essentiel déterminant le rendement thermique du compresseur est la température moyenne des varia- tions d'état à laquelle laquantité de déplacement est soumise pendant son maintien dans la chambre de travail chaude(. ou froide) étant donné que les variations d'état qui se produisent pendant la traversée de l'accumulateur de chaleur dans l'un et l'autre sens s'annulent parce qu'égales et de sens contraires.
Les
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Les températures moyennes de la variation d'état qui s'effectue dans la chambre de travail chaude (nu froide) donnent les tem- pératures limites supérieure* et inférieure du circuit thermo- dynamique qui sont les facteurs déterminants pour le calcul du rendement thermique.
Dans les constructions antérieures à la présente inventai on, dans lesquelles la quantité de déplacement consti- tuait une Fraction de l'agent de travail renfermé dans la chambre ,le travail froide, il était inévitable que la compression à laquelle l'agent de travail était soumis dans la chambre de travail froide avant son entrée dans l'accumulateur de chaleir ait lieu adiabatiquement, La température moyenne de la "quantité -le déplacèrent'' subissant une modification d'état dans la clambre de travail froide est, dans ce cas, considérablement plus élevée que la température la plus basée T1 du réfrigérant.
Un autre avantage dirait que la quantité de dépla- cement froide est introduite de l'extérieur résulte de ce que la compression peut être effectuée à l'aide de pompes séparées, le cas échéant aussi pn plusieurs phases, avec un refroidissement agissant pendant la compression, ou un refroidissement par étapes, de sorte qu'on peut comprimer la quantité de déplacement- presque isothermiquement jusqu'à la pression de refoulement.
Par la expression effectuée presque isothermiquement de la "quantité de déplacement" , la température moyenne de la modi- fication d'état de la dite quantité qui s'effectue dans les pompes, c'tst-a-dire dans une partie externe/rapportée de la chanbre de travail froide, se mpproche davantage de la limite de température la plus que dans la compression adiabatique de la quantité -le déplacèrent dans la chambre de travail froide du compresseur ce qui augmente le rendement thermique de l'ensemble des machines.
La
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La fi.2 montre une installation dans laquelle la pompe à plusieurs étages séparés 20, actionnée par l'en- semble de machines, comprime les gaz dans un réservoir à pression 19 jusqu'à la pression d'introduction, les réfrigérants 25, 25 intercalés après les divers étageséliminant la chaleur de compression. Suivant l'exemple représenté fig.2, l'ensemble des:).', machines travaille avec un circuit de surpression fermé, le moteur B délivrant son échappement dans un réservoir à basse pression 26 qui communique avec le clapet d'aspiration 10 du compresseur thermique A.
Si l'air de compression et, dans le cas où l'on utilise un combustible gazeux, ce combustible est comprimé jus- qu'à la pression de refoulement à, l'aide de pompes 29,30, res- pectivement, avant leur introduction dans la chambre de travail, et sont introduits dans la chanbre de travail sur le côté froid de l'accumulateur de chaleur auxiliaire 31,32 pendant la période de refoulement, ces gaz forment une partie de la "quantité de déplacement " de sorte que la quantité de déplacement intro- duite en 17 peut être diminuée de façon correspondante.
Les pompes à gaz frais 29 et 30 sont alimentées, respectivement, par les réservoirs à air 33 et à gaz 34 dans lesquels règne la limite de pression inférieure p1 du circuit fermé. L'air et le gaz comprimés par les pompes 35,36 dans les réservoirs 33,34 , respectivement, sont dérivés respectivement de l'atmosphère et de la source de az. Après chaque cycle de travail, il faut séparer de la chambre de travail un poids de gaz de combustion équivalent au poids du combustible introduit et ,le l'air de combustion introduit, car, autrement, la quantité d'agent de travail que renferme cette chambre augmenterait continuellement.
Les gaz de combustion se séparant passent dans le réservoir 38, à la pression inférieure p1 du circuit fermé dans
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dans chaque cycle de travail, à travers un organe d'échappement commandé 43. Leur énergie de pression peut a antageusement être utilisée dans le moteur à basse pression 40 dans lequel ils se détehlent de la pression ¯& à un atrr.osphère en fournissant du travail et réchappent ensuite dans 1* atmosphère. La chaleur de compression des gaz frais, chaleur produite par la compres- sion dans les rompes 35,36 , est en partie transmise par des ou, des, régénérateurs.
à l'agent de travail massant du réservoir récupérateurs 37,38/39 au moteur a basse pression 40, afin que sa température ne s'abaisse pas d'une façon désavantageuse au-dessous de celle de l'atmosphère par suite de la détente, et une autre partie de cette chaleur est éliminée par les réfrigérants 41 et 42.
Dans la disposition décrite, la, modification d'état que se produit dans la chambre de travail pour une des parties des gaz frais constituant la "quantité de déplacement" consiste dans la compression, par les pompes 29,30, de la tempé- rature des réfrigérants 41,42 à la température de compression adiabatique, mais cette compression peut aussi, en vue d'abaisser la température inférieure moyenne, 'une façon.analogue à celle de la "quantité de déplacement " restante dans la pompe 20, être effectuée isothermiquement.
Dans les cas décrits relativement aux fig.1 et 2, la différence de l'état de l'agent de travail qui se trouve danss la chambre de travail froide de la machine pendant la rériode de refoulement et de la "quantité de déplacement " introduite de l'extérieur consiste en ce que cette dernière possède une température plus basse que les gaz comprimés adia- batiqeuement qui se trouvent dans la chambre de travail froide de la machine. La "quantité de déplacement " introduite de l'extérieur peut toutefois posséder aussi une pression plus élevée
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élevée que celle régnant dans la chambre froide pendant la péroide de refoulement..
Dans ce cas, il faut toutefois prévoir encore un autre organe obturateur commandé qui coupe la communication entre les parties froides de la chambre de travail, situées des deux côtés du piston.-- guidé dans ce cas hermétiquement-- pendant l'introduction de la "quantité de déplacement " S'il existe aussi un cylindre auxiliaire 15, il faut entoutre que cet obturateur auxiliaire coupe aussi la communication entre le cylindre auxiliaire et l'accumulateur de chaleur sans supprimer la communication entre le cylindre auxiliaire et le côté froid du piston principal 2.
Si, cornue cela est représenté fig.2, le. piston auxiliaire 16 est tourné directement par sa face de travail active vers le côté froid de l'accumulateur de chaleur, avec le tuyau de communication 7, débouchant entre l'accumulateur et le piston auxiliaire 16, il faut que l'obturateur soit situé entre le joint d'introduction dudit tuyau 7 et le côté froid de l'accumulateur.
là fig.4 montre la disposition d'un tel obturateur Entre le côté froid 5a de l'accumulateur 5 et le cylindre auxi- liaire 15,un tiroir 21 est intercalé, selon la fig.4 de telle manière qu' il se trouve entre l'orifice du tuyau 7 et le dit côté froid 5a Les clapets 18 admettant la "quantité de refou- lement" qui doit être introduite de l'extérieur sont disposés en cercle autour du fond du cylindre auxiliaire 15 et débouchent dans la chambre comprise entre le tiroir 21 et le côté froid 5a de l'accumulateur de chaleur. Le tiroir 21 et les clapets 18 sont commandés de telle sorte que le tiroir 21 se ferme lorsque la pression de refoulement se trouve atteinte et que les clapets 18 s'ouvrent ensuite.
Dans ce dispositif, la "quantité de déplacement " peut être introduite sous une pression plus élevée que la pression de refoulement, de sorte que la pression régnât dans
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dans la chambre 6b) (fig.2) peut être plus élevée que celle reliant dans la chambre 6. Les clapets 18 se refenrent avant la fin de la course de refoulement, et ce, assez tôt pour qu'il s'effectue une expansion dans la chambre 6b etque, jusqu'à la fin -le la course, la pression redevienne, la même sur les deux faces du piston 2.
Aussi longtemps qu'il règne une différence de pression entre les deux ctés du piston 2, c' est-à-dire pendant la partie de la période de refoulement qui précède l'égalité des pressions régnant de part et d'autre du pistcn à la fin de l'expansion, cette différence a pour effet de développer un travail qui actionne le piston 2 et qui peut être érivé du vilebrequin 3. Dans ce cas la machine se comporte non seulement à la façon d'un géné-ateur e gaz sous pression mis encore a la façon d'une machine motrice produisant directement du travail mécanique.
Il est aussi avantageux de disposer un obturateur entre le tuyau 7 reliant le cylindre auxiliaire à la face de pistai froide de la chanbre de travail et le point d'entrée 17 de la "quantité de déplacement " quand cette quantité n'estt pas introduite à une pression plus élevée que celle de refoule- meut, en vue d'empêcher complètement, dans ce cas, un mélange e la quantité de déplacement froide introduite avec les gaz plus chauds poussés par le cylindre auxiliaire dans le tuyau de communication 7.
Toutefois, un obturateur à action d'obturateur complète, et par conséquent commandé, n'est pas nécessaire à cet effet et il suffit au contraire de prévoir (fig.l) une cloi- son 21 présentant des ouvertures dont les dimensions sont telles qu'elles entravent seulement le mélange des gaz froids et chauds,
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à travers la cloison, en opposant au passade du gaz du cylindre auxiliaire vers l'accumulateur une résistance plus grande que celle correspondant au passage par le tuyau de comrunication 7.
Par suite, dans la course du piston auxiliaire 16 vers l'inté- rieur, l'agent de travail passe du cylindre auxiliaire au côté froid du piston principal 2'. principalement par le tuyau 7, et il n'en passe qu'une faible fraction à travers la, cloison 21a
La disposition de 1'organe d'étranglement ou d'obturation 21 dépend des positions réciproques du cylindre auxiliaire et du côté froid de l'accumulateur de chaleur. Le cas échéant, il peut être nécessaire de prévoir deux organes d'étranglement ou d'obturation de ce genre pour couper la com- munication entre le cylindre auxiliaire et le ou les accumula- teurs de chaleur et la chambre de travail située sur le côté froid du piston.
Il a été démontré plus haut que l'invention aug- mente le rendement thermique et la quantité de travail spécifique de la machine. Gomme une partie des pertes d'énergie par exemple les pertes de chaleur par rayonnement et conduction de la chambre de travail chaude ne dépendent que des dimensions et des tempé- ratures régnantes, etnépendent donc pas directement de la quantité de travail fournie, le rapport entre ces pertes inva- riables et la quantité de travail totale devient plus favorable quand la quantité de travail de la même machine augmente. L'aug- mentation de la quantité de travail spécifique effectue donc à son tour une augmentation du rendement thermique.
Le rendement mécanique est d'ailleurs aussi augmenté En effet, étant donné que la compression de la "quantité de dé- placement " peut être effectuée à l'extérieur de la chambre de travail du compresseur thermique dans des pompes séparées (voir 20, fig.2) celles-ci peuvent être adaptées aux conditions les plus
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plus favorables, indépendamment de la machine thermique, sous le rapport de leur construction (par exemple à plusieurs étages et à double effet) et e leur nombre de tours, de sorte que le travail de compression de la qualité de déplacement s'effectue avec un Meilleur rendement mécanique que s'il s'effectuait dans le compresseur même.
REVENDICATIONS
1.- Machine pour la production de gaz sous pression, dans laquelle un piston déplaceur chasse les gaz de travail à travers un accumulateur de chaleur alternativement d'une chambre de travail froide dans une chambre de travail chaude chauffée par une combustion interne, et inversement, caractérisée par le fait que, après que la pression de refou- lement a été atteinte dans les chambres .de travail de la machine du gaz froid provement d'une source de gaz sous pression située à l'extérieur de la machine, possédant au moins la pression de refoulement et agissant comme "quantité de déplacement " est amené, pendant la période de refoulement, au côté froid de l'accumulateur de chaleur.