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PROCEDE DE PRODUCTION DE FORCE MOTRICE PAR UTILISATION DE LA VAPEUR DE MATIERES ORGANIQUES
ET MOYENS DE MISE EN OEUVRE DU DIT PROCEDE
La. présente invention concerne un procédé de production de force matrice par utilisation de. la. vapeur de matières er- ganiques et. analogues ainsi que des meyens de mise en oeuvre du dit procéé.
La. caractéristique essentielle du précédée suivant l'invention consiste à utiliser de la vapeur de matières or- ganiques à une pression voisine de la pression atmosphérique et avec une forte surchauffe.
Suivant d'autres caractéristiques importantes de l'in- vantion (qu'on peut appliquer séparédment eu simultanément en diverses combinaisons) les installations pour la mise en oeuvre du dit procédé comprennent essentiellement une chaudière et un condenseur apprepriéset un certain nombre de turbines axiales à action, à marche lente et à mouvement de roues inversé..
Jusquà présents les recherches entreprises dans le but d'amélierer le rendement des installations à vapeur avaient été diriges dans deux voies différentessuivant certains systèmes on utilise de la. vapeur d'eau à. des pressions et à des températures très élevées: suivant d'autres,on produit
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simultanément dans la. même enceinte de la. vapeur d'eau et d'au- tres vapeurs présentant un point d'ébullition plus élevé que celui de l'eau, le condenseur d'un liquide étant utilisé. comme chaudière pour l'autre.
Cesinstallations utilisent la ou les vapeurs à des pressions élevées et généralement sous forme de vapeur saturée.
Les inventeurs ont observé que, si l'utilisation de matières organiques pour la production de force motrice présente des avantages qui leur sont propres, les conditions réalisées actuellement dans les installations à vapeur ne sont pas appli- cables avantageusement aux vapeurs de matières organiques car elles ne permettent pas de transformer en travail mécanique effectif dans les appareils d'utilisation (turbines ou autres) toute la différence de température.
Les inventeurs expliquent ce fait par la raison que pendant la détente l'entropie d'une vapeur organique diminue ce qui revient à dire que dans la formule exprimant le travail: travail = (T-To) C- Te (Se-S), le deuxième élément (Se-S) est négatif pour la vapeur de matières organiques (contrairement à la vapeur d'eau.) .
Les inventeurs en ont conclu que le rendement élevé recherché pour les installations à vapeur employant ces matières ne peut être obtenu qu'en adoptant une solution thermo-dynamique dégagée de l'influence nuisible de ce facteur SO-S.
C'est ainsi que, suivant la présente invention, la vapeur organique doit être utilisée uniquement dans le domaine de la surchauffe pour lequel So= S, le facteur Te (S@-S)étant dans ce cas égal à 0.
De plus, comme la plus grande surchauffe possible s'obtient sous de basses pressions, il est donc bien rationnel, comme indiqué suivant la présente invention, de se placer dans ces conditions qui présentent par ailleurs d'importants avanta- ges au point de vue constructif.
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Ces cenditions nouvelles exigent 1-*emploi de chaudières dont la surface de surchauffe est bien plus importante que la surface de vaporisation, de plus, suivant la présente invention, en effectue la surchauffe de la vapeur dans les mêmes tubes qui servent à la vaporisation du liquide. En outre, il est possible somme spécifié suivant la présente invention, d'employer plusieurs surchauffes dans les limites pourtant très étroites de pression considérées
En outre, suivant l'invention, une notable partie de la chaleur emmagasinée dans le condenseurdont la température est élevée relativement( est employée au réchauffage de 1$ air envoyé au foyer,
ainsi qu'à celui du liquide renvoyé à la chau- dière.
Cette récupération, qui se traduit par une augmentation du rendement de l'installation, est plus avantageuse que la récu pération de chaleur appliquée dans les installations bimédiales (à deux fluides)
Par suite du poids spécifique élevé et de la faible chaleur spécifique de la vapeur organique ainsi que de la basse pression à laquelle on l'utilise, la vitesse de la vapeur est diminuée et les pertes par frottement sont minimes, ce qui per- met, suivant l'invention d'utiliser des turbines axiales à action, de construction beaucoup plus simplea à ma rche lente et à mouvement de roues inversée où.
toute la différence de température est utilisée dans un nombre restreint d'étages de pression (par exemple, un deux ou trois), ce qui permet de réduire notablement l'encombrement de 13'installation.
Ainsi, le procédé suivant l'invention permet d'établir des installations de force motrice ayant un rendement thermique considérable, rendement qui non seulement dépasse celui des installations perfectionnées devapeur à haute pression, mais encore, surtout grâce à Inapplication possible de plusieurs surchauffes, dépasse beaucoup celui des moteurs ayant des rende- ments thermiques les plus élevés;, commepar exemple, les moteurs @
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Diesel.
Une installation suivant 11 présente invention est illus- frée à titre d'exemple, aux dessins annexés dans lesquels:
La fig. 1 est un diagramme de la double détente de la vapeur entre les limites de 1,5 atm. et 0,02 atm.
Les fig. 2 et 3 représentent respectivement et de façon schématique une vue en élévation et une vue en plan de l'ins- tallation ;
La fig. 4 est une coupe longitudinale d'une turbine:
Les figs. S et 6 sont relatives, respectivement, à des applications de l'invention à un bateau et à un aéronef.
Le diagramme de la fig. 1 montre, en pointillé, la courbe adiabatique de la vapeur d'un liquide organique entre les limites de 1,5 atm. et 0,02 atm. Les courbes en traits pleins correspondant aux détentes réalisées après des surchauffes suc- cessives, deux dans le cas illustré; dans la première période, la vapeur qui a été surchauffée d'environ 280 C à 450 C se détend de la pression de 1,5 atm. jusqu'à environ 1,18 atm; dans la deuxième, la vapeur est surchauffée de 180 C à 400 C et se détend jusqu'à une pression absolue de 0,02 atm. où elle est à la température de condensation.
Aux figs. 1 et 2, une chaudière 1 comporte des bruleurs 2 dans lesquels le combustible liquide est admis par le tube 3.
Des chicanes 4, 5 obligent les gaz de combustion à suivre le trajet sensiblement en S indiqué. par les flèches 6 et 7 pour revenir au-dessus des brûleurs 2 afin de réaliser une combustion complète. La matière organique'utilisée est placée en 8, dans un réservoir 9, qui communique par un* certain nombre de tubes 10 avec un collecteur 11 d'où. partent des rangées de tubes parallèles 12 dans lesquels a lieu la vaporisation : lesprolongements de ces tubes sont recourbés à environ 180 et constituent les éléments de surchauffe 13.
Ils viennent aboutir dans un collecteur 14, prolongé d'un distributeur de vapeur 15, avec vanne 16; un certain nombre de tubes 17, réunissent la par- , @
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tie supérieure du réservoir 9 au distributeur 15, la vapeur y est soumise à la surchauffe sur une certaine partie 18 de son parcours
Le liquide organique venant du condenseur 19, comme décrit ci-après, est conduit au réservoir 9 par des canalisations 20 qui, dans la région où elles traversent les gaz de combustion, sont munies d'ailettes ou de nervures de réchauffage 21 à grande surface spécifique. Les gaz chauds circulent dans le sens des flèches 22.
On voit de ce qui précède que la direction de l'écoule- ment des gaz chauds est toujours à peu près contraire à la direc- tion de l'écoulement du liquide ou de la vapeur dans les tubes 12, 13 et à celle du liquide amené au réservoir 9. On peut prévoie également,des parois réfractaires 23, 24 ou mieux, suivant l'invention, des parois doubles permettant entre-elles une circulation d'eau au du liquide organique même utilisé dans l'installation.
La vapeur surchaufféepénètre en 25 dans une turbine axiale à action 26.
La fig. 4 montre une turbine à marche lente suivant. l'invention. Cette vitesse réduite résulte non seulement du fait que c'est une turbine à action à couronne d'aubes tournant en sens inverse, mais également de ce fait que le liquide organique (de l'oxyde de phényle par exemple) possède une chaleur spécifique bien inférieure à celle de l'eau et qu'en outre la vapeur produite se détend entre des limites caloriques plus étroites de sorte que la vitesse qui est proportionnelle à la racine carrée de la différence de calories se trouve dans l'ensemble plus petite.
A la fig. 4 est représenté un carter Formé d'un socle 27, muni d'un couvercle amovible 28 et dans lequel sont montés deux arbres 29, 30 tournant en sens inverse qui reposent dans des paliers ordinaires ou à billes 31, 32. A l'extrémité de 1-'arbre 29 est fixé le moyeu 33 d'un rotor 34 muni d'une double
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couronne d'aubes 35,36. A l'extrémité de l'arbre 30 est fixé de la même façon le moyeu 37 d'un double rotor 38,39.
Le rotor 38 porte une double couronne d'aubes 50, 51 construites et disposées de telle sorte que les aubes d'un des rotors, 38 par exemple, pénètrent entre les aubes de l'autre. Le deuxième rotor 39 de l'arbre 30 est constitué par un rotor ordinaire Curtiss, muni d'aubes 52,53, mais les rotors 38 et 39 sont séparés par une cloison du diauhragme 54 servant à maintenir des pressions différentes de part et d'autre.
Des bagues d'étanchéité ,55, 56 sont logées dans les évidements ménagés dans les manchons 57, 58; elles sont rendues encore plus étanches au moyen de vapeur vive arrivant par des tubes 59, 60. La cloison de répartition des pressions 54 est munie de bagues 61 qui présentent des arêtes vives pour fournir l'étanchéité voulue. A la partie inférieure se trouve l'orifiee d'admission de vapeur 62, ainsi que l'orifice d'échappement 63.
Le rotor 39 peut en outre présenter une double couronne supplémentaire d'aubes 64, 65 qui sont disposées de façon à passer dans leur rotation en regard d'une ouverture d'admission particulière 66 pour la contre vapeur qui fera tourner le rotor 39 et par suite l'arbre 30 de ce dernier en sens inverse du sens normal.
Lorsqu'au lieu d'utiliser des arbres tournant en sens inverse, il est nécessaire d'avoir toute la puissance disponible sur un arbre unique tournant par conséquent dans le même sens, l'arbre 30 est relié à cet arbre unique de commande 67 au moyen d'une roue dentée 68, l'arbre 29 est relié à ce même arbre 67 au moyen de deux roues dentées 69 et 70.
Sur l'arbre de commande 67 peuvent être fixé un certain nombre de ventilateurs 72 servant à amener de l'air an foyer de la chaudière sous une pression constante, réglable au moyen du clapet 73 qui se soulève au delà d'une certaine vitesse de la turbine.
Le condenseur 19 présente une grande surface spécifique @
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constituée, par exemple par des saillies inférieures 75 en contact avec le liquide condensé et des nervures ou ailettes supérieures 76 disposées dans le trajet de l'air envoyé au foyer 77 par les ventilateurs 72.
De façon générale, la vapeur peut être utilisée soit dans une seule turbine à plusieurs étages de pression, soit dans plusieurs turbines à un ou plusieurs étages de pression.
Dans le cas de plusieurs surchauffes2 la vapeur sortant du pre- mier élément d'utilisation 26 gagne par un conduit 40 un sur- chauffeur 41 pourvu d'éléments 42 de grande surface spécifique convenablement disposée sur le passage des gaz chauds.
A sa sortie du surchauffeur 41, la vapeur est conduite par une canalisation 43 à lélément ou appareil d'utilisation suivant 43. A la sortie du dernier appareil d'utilisation, la vapeur passe dans un condenseur 19 d'où. la condensation est ramenée à la chaudière par la pompe 45 et le conduit 20.-
Dans le cas de Inapplication de la présente invention à une automobile l'arbre 67 peut porter un embrayage 71 à friction ou autre.
La fig. 5 montre schématiquement un exemple de réali- sation d'une installation sur un bateau La vapeur s'écoule de la chaudière 80 par les conduits 81 dans la turbine 82 dans laquelle elle travaille à une température élevée, cette vapeur se partageant avant son entrée dans la turbine en deux courants correspondant respectivement à la marche avant et à la marche arrière au moyen d'un robinet 83.-
La vapeur qui s'écoule de la turbine 82 passe dans le tube 84 pour revenir à la chaudière 80 en vue de la surchauffe-.
La vapeur surchauffée passe alors par un tube 85 dans la turbine à basse pression 86 en traversant de même un robinet 87 destiné à. la partager en deux courants, cette vapeur passant ensuite au condenseur 88, le liquide condensé retournant enfin à la chaudiè- re 80.
Chaque turbine comporte deux arbres pourvus chacun
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d'une hélice 89,90 l'un de ces arbres passant sous la quille dans un tannel, et l'autre sortant à la partie postérieure.du bateau. La marche arrière agit seulement sur les hélices posté- rieures 90.
La fig. 6 montre schématiquement en plan un avion muni de deux turbines 101 et 102, ainsi que d'une chaudière 103.
Comme indiqué par les flèches 104, la vapeur se rend de la chau- dière 103 à la turbine 102 pums retourne à la chaudière 103 où elle est surchauffée ; est amenée ensuite à la 2ème turbine 101 pour s'écouler enfin dans le condenseur 19. Derrière la chaudière 103 se trouve la cheminée 105 et, entre les deux tur- bines 101 et 102 les sièges 106 des occupants.
Bien entendu, les diverses installations appliquant le procédé suivant l'invention pourront comporter, suivant les cas, les modifications constructives les plus variées sans sortir pour cela du domaine de la présente invention.
L'invention n'est pas limitée aux applications décrites ci-dessus, non plus qu'à l'emploi de matières organiques ; elle peut en effet être appliquée dans tous les cas où on a besoin de force motrice, toute substance présentant les mêmes caracté- ristiques thermodynamiques que les matières organiques pouvant être substituées à ces dernières dans les installations précitées
REVENDICATIONS
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1) Procédé de production de force motrice par utilisa- tion de la vapeur de matières organiques et analogues consistant à produire et surchauffer la dite vapeur organique sous une pression voisine de la pression atmosphérique et à la laisser détendre dans un appareil approprié.
2) Procédé suivant 1) consistant à utiliser plusieurs détentes successives séparées par des périodes de surchauffe.
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MOTOR FORCE PRODUCTION PROCESS BY USING THE STEAM OF ORGANIC MATERIALS
AND MEANS OF IMPLEMENTATION OF THE SAID PROCESS
The present invention relates to a method of producing die force using. the. vapor of organic matter and. analogues as well as meyens of implementation of said process.
The essential characteristic of the process according to the invention consists in using the vapor of organic materials at a pressure close to atmospheric pressure and with a strong superheating.
According to other important characteristics of the invention (which can be applied separately or simultaneously in various combinations), the installations for carrying out the said process essentially comprise a boiler and an appropriate condenser and a certain number of axial turbines to action, slow running and reverse wheel movement.
Until now, the research undertaken with the aim of improving the efficiency of steam installations had been directed in two different ways, following certain systems using. water vapor to. very high pressures and temperatures: according to others, we produce
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simultaneously in the. even pregnant with the. water vapor and other vapors having a higher boiling point than water, the condenser of a liquid being used. as a boiler for the other.
These installations use the vapor (s) at high pressures and generally in the form of saturated vapor.
The inventors have observed that, although the use of organic materials for the production of motive power has advantages which are specific to them, the conditions currently achieved in steam installations are not advantageously applicable to vapors of organic materials because they do not make it possible to transform all the temperature difference into effective mechanical work in operating devices (turbines or others).
The inventors explain this fact by the reason that during the expansion the entropy of an organic vapor decreases which amounts to saying that in the formula expressing the work: work = (T-To) C- Te (Se-S), the second element (Se-S) is negative for the vapor of organic materials (unlike water vapor.).
The inventors have concluded from this that the high efficiency sought for steam installations using these materials can only be obtained by adopting a thermodynamic solution free from the harmful influence of this SO-S factor.
Thus, according to the present invention, the organic vapor must be used only in the field of superheating for which So = S, the factor Te (S @ -S) being in this case equal to 0.
In addition, as the greatest possible superheating is obtained under low pressures, it is therefore quite rational, as indicated according to the present invention, to place oneself under these conditions which, moreover, present significant advantages from the point of view. constructive.
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These new ashes require 1- * the use of boilers whose superheating surface is much larger than the vaporization surface, moreover, according to the present invention, it superheats the steam in the same tubes which are used for vaporization of the vapor. liquid. In addition, it is possible, as specified according to the present invention, to employ several superheats within the very narrow limits of pressure considered.
In addition, according to the invention, a significant part of the heat stored in the condenser, the temperature of which is relatively high (is used for heating the air sent to the fireplace,
as well as that of the liquid returned to the boiler.
This recovery, which results in an increase in the efficiency of the installation, is more advantageous than the heat recovery applied in bimedial installations (with two fluids)
Due to the high specific gravity and the low specific heat of organic vapor as well as the low pressure at which it is used, the vapor speed is reduced and the friction losses are minimal, which allows, according to the invention to use axial action turbines, of much simpler construction with my slow rche and with reverse wheel movement where.
all the temperature difference is used in a small number of pressure stages (for example, one two or three), which makes it possible to significantly reduce the size of the installation.
Thus, the method according to the invention makes it possible to establish motive power installations having a considerable thermal efficiency, an efficiency which not only exceeds that of improved high pressure steam installations, but also, above all thanks to the possible application of several superheats, exceeds. much that of the engines with the highest thermal efficiencies ;, such as, for example, engines @
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Diesel.
An installation according to the present invention is illustrated by way of example, in the accompanying drawings in which:
Fig. 1 is a diagram of the double expansion of steam between the limits of 1.5 atm. and 0.02 atm.
Figs. 2 and 3 represent respectively and schematically an elevational view and a plan view of the installation;
Fig. 4 is a longitudinal section of a turbine:
Figs. S and 6 relate, respectively, to applications of the invention to a boat and to an aircraft.
The diagram in fig. 1 shows, in dotted lines, the adiabatic curve of the vapor of an organic liquid between the limits of 1.5 atm. and 0.02 atm. The solid lines corresponding to the expansion carried out after successive overheating, two in the illustrated case; in the first period, the vapor which has been superheated from about 280 C to 450 C expands from the pressure of 1.5 atm. up to about 1.18 atm; in the second, the vapor is superheated from 180 C to 400 C and expands to an absolute pressure of 0.02 atm. where it is at the condensing temperature.
In figs. 1 and 2, a boiler 1 comprises burners 2 into which the liquid fuel is admitted through tube 3.
Baffles 4, 5 force the combustion gases to follow the substantially S-shaped path indicated. using arrows 6 and 7 to return above the burners 2 in order to achieve complete combustion. The organic material used is placed at 8, in a reservoir 9, which communicates by a number of tubes 10 with a collector 11 from where. start from the rows of parallel tubes 12 in which the vaporization takes place: the extensions of these tubes are curved at about 180 and constitute the superheating elements 13.
They end in a manifold 14, extended by a steam distributor 15, with valve 16; a number of tubes 17, join the par-, @
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upper tie of the reservoir 9 to the distributor 15, the steam is subjected to overheating there over a certain part 18 of its path
The organic liquid coming from the condenser 19, as described below, is led to the reservoir 9 by pipelines 20 which, in the region where they pass through the combustion gases, are provided with fins or heating ribs 21 with a large surface area. specific. The hot gases flow in the direction of arrows 22.
It can be seen from the above that the direction of the flow of hot gases is always roughly opposite to the direction of the flow of liquid or vapor in tubes 12, 13 and to that of liquid. supplied to the reservoir 9. It is also possible to provide refractory walls 23, 24 or better, according to the invention, double walls allowing between them a circulation of water or the organic liquid even used in the installation.
The superheated steam enters at 25 an axial impeller 26.
Fig. 4 shows a following slow running turbine. invention. This reduced speed results not only from the fact that it is an action turbine with a crown of blades rotating in the opposite direction, but also from the fact that the organic liquid (phenyl oxide for example) has a specific heat well lower than that of water and furthermore the vapor produced expands between narrower caloric limits so that the rate which is proportional to the square root of the calorie difference is generally smaller.
In fig. 4 is shown a housing formed of a base 27, provided with a removable cover 28 and in which are mounted two shafts 29, 30 rotating in the opposite direction which rest in ordinary or ball bearings 31, 32. At the end of 1-'arbre 29 is fixed the hub 33 of a rotor 34 provided with a double
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crown of blades 35.36. At the end of the shaft 30 is fixed in the same way the hub 37 of a double rotor 38, 39.
The rotor 38 carries a double crown of blades 50, 51 constructed and arranged so that the blades of one of the rotors, 38 for example, penetrate between the blades of the other. The second rotor 39 of the shaft 30 is constituted by an ordinary Curtiss rotor, provided with blades 52,53, but the rotors 38 and 39 are separated by a partition of the diauhragm 54 serving to maintain different pressures on both sides. other.
Sealing rings, 55, 56 are housed in the recesses made in the sleeves 57, 58; they are made even more tight by means of live steam arriving through tubes 59, 60. The pressure distribution partition 54 is provided with rings 61 which have sharp edges to provide the desired tightness. At the bottom is the steam inlet 62, as well as the exhaust port 63.
The rotor 39 may also have an additional double ring of vanes 64, 65 which are arranged so as to pass in their rotation opposite a particular inlet opening 66 for the back vapor which will turn the rotor 39 and by following the shaft 30 of the latter in the opposite direction to the normal direction.
When instead of using shafts rotating in the opposite direction, it is necessary to have all the power available on a single shaft therefore rotating in the same direction, the shaft 30 is connected to this single control shaft 67 at the same time. by means of a toothed wheel 68, the shaft 29 is connected to this same shaft 67 by means of two toothed wheels 69 and 70.
On the control shaft 67 can be fixed a certain number of fans 72 serving to bring air to the furnace of the boiler under a constant pressure, adjustable by means of the valve 73 which lifts beyond a certain speed of the turbine.
The condenser 19 has a large specific surface area @
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constituted, for example, by lower projections 75 in contact with the condensed liquid and upper ribs or fins 76 arranged in the path of the air sent to the hearth 77 by the fans 72.
In general, the steam can be used either in a single turbine with several pressure stages, or in several turbines with one or more pressure stages.
In the case of several superheats2, the steam leaving the first use element 26 gains through a duct 40 a superheater 41 provided with elements 42 of large specific surface area suitably placed on the passage of the hot gases.
On leaving the superheater 41, the steam is conducted through a pipe 43 to the next element or user device 43. On leaving the last user device, the steam passes into a condenser 19 from where. the condensation is returned to the boiler by pump 45 and pipe 20.-
In the case of the application of the present invention to an automobile, the shaft 67 may carry a friction clutch 71 or the like.
Fig. 5 schematically shows an exemplary embodiment of an installation on a ship The steam flows from the boiler 80 through the ducts 81 into the turbine 82 in which it works at a high temperature, this steam being shared before entering the vessel. the turbine in two streams corresponding respectively to forward and reverse gear by means of a valve 83.-
The steam which flows from the turbine 82 passes through the tube 84 to return to the boiler 80 for superheating.
The superheated steam then passes through a tube 85 into the low pressure turbine 86, likewise passing through a valve 87 intended for. divide it into two streams, this vapor then passing to the condenser 88, the condensed liquid finally returning to the boiler 80.
Each turbine has two shafts each provided
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of a propeller 89.90 one of these trees passing under the keel in a tannel, and the other coming out at the rear part of the boat. Reverse gear only acts on the rear propellers 90.
Fig. 6 schematically shows a plan of an airplane fitted with two turbines 101 and 102, as well as a boiler 103.
As indicated by arrows 104, the steam travels from boiler 103 to turbine 102 pums returns to boiler 103 where it is superheated; is then brought to the 2nd turbine 101 to finally flow into the condenser 19. Behind the boiler 103 is the chimney 105 and, between the two turbines 101 and 102, the seats 106 of the occupants.
Of course, the various installations applying the method according to the invention may include, depending on the case, the most varied constructive modifications without thereby departing from the scope of the present invention.
The invention is not limited to the applications described above, nor to the use of organic materials; it can in fact be applied in all cases where driving force is required, any substance having the same thermodynamic characteristics as the organic materials being able to be substituted for the latter in the aforementioned installations.
CLAIMS
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1) A method of producing motive force by using the vapor of organic materials and the like, consisting in producing and superheating said organic vapor under a pressure close to atmospheric pressure and allowing it to expand in a suitable apparatus.
2) Process according to 1) consisting in using several successive expansion separated by periods of overheating.
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