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Procédé et appareils pour réaliser économiquement des trans- formations thermo-dynamiques.
La présente invention est relative aux procédés et appareils qui utilisent des gaz suivant des cycles comprenant une compression, un échange de chaleur à pression constante relativement élevée, une détente et un échange de chaleur à pression relativement basse, par exemple en vue de la pro- duction de chaleur ou de froid.
La compression d'un gaz absorbant de l'énergie et la détente libérant de l'énergie, il est indispensable de récupérer aussi complètement que possible l'énergie contenue dans le gaz à détendre afin de l'utiliser pour la compression.
Les procédés et appareils proposés jusqu'à présent dans ce but ne donnaient pas des résultats satisfaisants en raison
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des importantes pertes d'énergie dans les opérations de com- pression et détente.
Dans une première catégorie de procédés, il était utilisé des dispositifs mécaniques indépendants pour produire séparément la compression et la détente. Ces procédés com- portaient la séparation complète des flux de gaz au moyen d'organes tels que des pistons se déplaçant dans des cylin- dres. Précisément ces organes entraînaient des pertes d'éner- gie, notamment par frottement, trop importantes à cause de l'effet cumulatif de ces pertes portant sur la somme des travaux de compression et de détente.
Il était plus rationnel d'utiliser l'action directe du gaz à détendre sur le gaz à comprimer avec interposition du minimum possible d'organes mécaniques en mouvement. Dans cet ordre d'idées, il a été proposé de supprimer toute cloi- son et de laisser le gaz à détendre transmettre directement sa pression au gaz à comprimer.
C'est ainsi que, dans une deuxième catégorie d'appareils, on fut amené à détendre le gaz par prélèvements partiels successifs à pression décrois- sante lorsque ce gaz était contenu dans une capacité close; de même, à comprimer le gaz contenu dans une autre capacité close par introductions successives de gaz à pression progres- sivement croissante,toujours plus élevée que celle règnant dans la capacité réceptrice, ce que l'on réalisa en mettant en communication, par des canaux, des capacités contenant le gaz à détendre avec des capacités contenant le gaz à compri- mer.
Ces canaux, en mouvement relatif par rapport à l'en- semble des capacités, jouaient le rôle de distributeurs pour l'épuisement progressif de la pression du gaz à détendre con- tenu dans une série de capacités, et l'accroissement progres- sif de la pression du gaz à comprimer dans l'autre série de @
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capacités, réalisant ainsi un échange méthodique de pression.
Puis l'ouverture des capacités dans le milieu à haute pres- sion permettait le déplacement du gaz comprimé hors des capa- cités en vue de son passage dans un échangeur de chaleur à pression constante. Ce déplacement effectué directement par le gaz sortant de cet échangeur, ne nécessitait alors qu'une dépense d'énergie réduite à celle due aux pertes de charge du circuit,et pouvait être assurépar exemple par un venti- lateur.
On cherchait ainsi à utiliser l'énergie libérée par la détente à effectuer la compression d'un égal volume de gaz à même pression, pour réduire l'énergie mécanique mise en jeu à celle nécessaire pour compenser les variations de volume de gaz dues aux échanges de chaleur ainsi que les per- tes notamment par fuites.
Dans cette deuxième catégorie d'appareils, s'il était bien supprimé les pertes par frottement dues aux cloisons ma- térielles, il était par contre créé d'autres pertes entraï- nant échec en pratique par suite des mélanges de gaz et des fuites inévitables, notamment celles dues au cloisonnement des flux par les capacités tout le long des surfaces de sé- paration entre elles.
Le procédé suivant l'invention a pour but de porter remède aux inconvénients de ces deux catégories d'appareils et de concilier les avantages du cloisonnement et ceux de l'action directe des flux gazeux l'un sur l'autre. Il est basé sur l'observation que le flux créé par l'échange de pres- sion entre le gaz en phase de détente et le gaz en phase de compression offre un moyen idéal de séparer les flux princi- aux s'il est possible de l'empêcher de se mélanger à ceux-
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ci et de se confondre avec eux au cours de son trajet exté- rieur aux canaux de liaison.
A cet effet le procédé suivant l'invention consiste à entretenir et à guider le flux d'échange de pression de façon qu'il circule à la même vitesse et dans la même direc- tion que les deux flux principaux et que, restant distinct, il s'interpose à la manière d'une cloison gazeuse, entre les deux flux à températures différentes dont l'un se rend à l'échangeur de chaleur et dont l'autre en vient.
Lorsque le procédé est réalisé dans un appareil rotatif comportant une couronne de capacités mobile par rapport à un distributeur fixe, ou fixe par rapport à un distributeur mobile, on fait en sorte, par le réglage en vitesse, orientation, et emplace- ment du flux d'échange de pression, qu'entre les phases de compression et de détente ce flux circule dans l'appareil ro- tatif sans quitter celui-ci, et par conséquent sans participer à l'échange de chaleur.
Pour que le flux d'échange puisse assurer son rôle de cloison gazeuse, il faut d'abord que contrairement à ce qui avait lieu dans les appareils de la deuxième catégorie mentionnée ci-dessus, l'écoulement du gaz de la phase de dé- tente à la phase de compression, se fasse autant que possible de manière continue en vitesse, orientation, et emplacement.
Il faut, en particulier, que les canaux de liaison communi- quent à chaque instant avec l'une au moins des deux phases et que leurs orifices soient disposés de telle manière, par rap- port aux capacités, qu'il n'y ait ni court-circuit ni fuite entre deux capacités voisines, soit en phase de détente, soit en phase de compression.
A cet effet, on donne aux orifices des canaux de liaison la même largeur qu'aux cloisons qui séparent les lu-
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mières d'admission dans les capacités du rotor, pour permettre leur obturation pendant le passage d'une capacité à la sui- vante, ce qui évite le court-circuit; en outre on fait en sorte que lorsqu'une extrémité d'un canal est obturée par une cloison, l'extrémité opposée se trouve dans l'axe d'une capacité. On évite ainsi les arrêts et chocs susceptibles de provoquer le mélange ou le brassage des fluides et on accroit la continuité des variations de pression.
Le flux 'échange de pression ainsi débité de façon pratiquement constante par les canaux de liaison., reçoit une direction sensiblement constante par rapport aux flux en phase de détente et en phase 'de compression, grâce à l'orientation appropriée des orifices des canaux de liaison qui communi- quent avec les capacités contenant les flux principaux. Ces orifices sont répartis exclusivement dans la partie de l'en- veloppe qui entoure étroitement les capacités afin d'éviter que les canaux soient périodiquement mis en communication avec les conduits d'admission et d'échappement.
Le circuit du flux d'échange de pression se complé- te à travers les capacités où le gaz comprimé et échauffé est déplacé, avant de s'échapper dans l'échangeur de chaleur, par le gaz comprimé refroidi, prêt à être détendu. La forme et la disposition des orifices des conduits d'admission et d'échappement sont déterminées de façon à assurer la conti- nuité du flux d'échange au cours de cette phase et à réduire la vitesse des flux à l'admission et à l'échappement, afin d'éviter un passage trop brusque d'une phase à la suivante.
Dans les capacités, le flux d'échange de pression peut avantageusement être guidé et localisé à l'aide de cloi- sons qui y délimitent une zone ou antichambre plus particu- lièrement réservée à ce flux. Cette antichambre dans laquelle
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le flux d'échange de pression est admis pour effectuer, de là, la compression du gaz dans l'ensemble de la capacité, peut avantageusement être soustraite au balayage pendant la phase de déplacement à haute pression afin que seul le gaz chaud comprimé passe dans l'échangeur de température. A cet effet on donne aux tubulures d'amenée et de sortie du gaz à haute pression une section réduite qui ne s'étend que sur une partie des capacités et exclut les antichambres du balayage.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, la cloison gazeuse constituée par le flux d'échange de pression entre le gaz en détente et le gaz en compression peut être étendue de façon à compléter la séparation matérielle entre les capacités voisines et à empêcher les fuites entre celles-ci, le long de la periphérie de l'enveloppe. Dans ce but les aubes ou cloisons du rotor qui limitent les capacités successives, sont rendues creuses et les espaces créés à l'intérieur de ces aubes ou cloisons sont mis en communication avec des ca- naux de liaison où règne une pression légèrement différente de celles existant dans les capacités à séparer.
Du côté dé- tente cette pression sera légèrement inférieure aux pressions de part et d'autre de l'aube considérée ; ducôté compression elle sera légèrement supérieure, pour qu'il s'établisse à travers les aubes et les canaux de liaison une dérivation du flux d'échange de pression qui, sans nuire à la continuité de ce dernier, parfasse, par un cloisonnement gazeux le long des bords des aubes, le cloisonnement matériel constitué par celles-ci.
Aux flux de températures différentes à séparer et au flux d'échange de pression assurant cette séparation, doit encore s'ajouter dans l'appareil, le flux de compensa- tion nécessaire pour compenser les variations du volume dues aux changements de température subis dans les échangeurs de chaleur extérieurs à l'appareil, c'est-à-dire entre le
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moment où un flux gazeux sort de l'appareil et celui où il est repris par ce dernier après avoir participé à un échange de chaleur. Suivant l'invention, le flux de compensation est utilisé en vue de favoriser la continuité du flux d'échange de pression.
De même que ce dernier, il est dirigé parallèle- ment aux flux principaux, ce que l'on réalise avantageusement par l'adjonction, aux capacités de volume constant, de ca- pacités de volume variable pour s'ajouter ou se retrancher selon le cas à celles des flux principaux.
Dans une forme d'exécution pratique et simple de l'invention, les capacités disposées en une couronne tour- nant autour de son axe, sont fermées pendant les phases de compression et détente, par une enveloppe qui, en deux zones diamétralement opposées, s'ouvre en forme de volutes pour guider les flux principaux hors de l'appareil pendant les phases de déplacement à pression constante. Les zônes de compression d'une part et de détente d'autre part communiquent entre elles par des canaux de liaison fixés sur l'enveloppe.
Les aubes ou cloisons séparant les capacités sont creuses et parcourues, pendant leur passage dans ces zônes, par des dé- rivations du flux d'échange de pression.
A l'intérieur de la couronne est disposé excentri- quement un rotor de compresseur à palettes, le volume compris entre les palettes successives constituant la capacité varia- ble nécessaire à la création du flux de compensation parallè- le aux flux d'air en compression.
L'invention sera décrite ci-après avec plus de dé- tails en se référant aux dessins annexés qui représentent schématiquement le principe de l'invention, des exemples d'exé- cution ainsi que des diagrammes explicatifs.
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Fig. 1 est une vue schématique de l'ensemble de l'appareil.
Fig. 2 est un diagramme montrant le rôle joué par le flux d'échange de pression.
Figs. 3 et 4 sont des coupes schématiques d'une forme d'appareil rotatif, dans des plans perpendiculaires à son axe de rotation, indiqués respectivement par les lignes III-III et IV-IV sur la Fig. 6.
Fig. 5 est une coupe diamétrale montrant une variante.
Fig. 6 est une coupe schématique par un plan diamé- tral indiqué par la ligne VI-VI sur la Fig. 4.
Figs. 7, 8 et 9 sont des vues explicatives en coupe.
Fig. 10 est une coupe suivant X-X (Fig. 11) et
Fig. 11 une coupe suivant XI-XI (Fig. 10) montrant l'alimentation des aubes creuses par une dérivation du flux d'échange de pression.
Fig. 12 représente le développement de la périphérie de l'enveloppe de l'appareil suivant la Fig. 10 et de ses canaux de liaison.
Fig. 13 est une coupe semblable à la Fig. 4, mon- trant la disposition d'un compresseur destiné à fournir un flux de compensation susceptible de co-opérer avec le flux d'échange de pression.
Fig. 14 est une coupe suivant la ligne XIV-XIV de la Fig. 13.
Fig. 15 représente en coupe suivant la ligne XV-XV' de la Fig. 17, une forme d'appareil comportant, dans les ca- pacités, des antichambres pour localiser le flux d'échange de pression.
Fig. 16 est une coupe suivant la ligne XVI-XVI' de la Fig. 17.
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Figs. 17 et 18 sont deux coupes radiales respective- ment prises suivant les lignes XVII-XVII' et XVIII-XVIII' de la Fig. 15.
Sur les dessins, 1 désigne le rotor comportant une couronne de capacités 2 séparées entre elles par des cloi- sons ou aubes 3 et tournant dans une enveloppe 4 munie de con- duits d'admission 5, 5' et de conduits d'échappement 6, 6' reliés à des échangeurs de température 7 et 7' à haute et à basse pression.
Le rotor tournant dans le sens de la flèche (Fig.l) il est supposé que la compression a lieu entre A et B, l'é- chappement à haute pression de B en C, le gaz comprimé et échauffé étant refroidi sous pression constante dans l'échan- geur 7 pour être ramené entre B et C dans le rotor où. il se détend de C en D. Ramené à sa pression initiale, le gaz re- froidi est évacué entre D et A dans l'échangeur 7' dans le- quel il s'échauffe sous pression constante et d'où il est repris par le rotor pour être de nouveau comprimé de A en B et recommencer le cycle. Les phases successives, dans une capacité faisant une révolution complète, sont donc: compres- sion (A-B), déplacement ou balayage (B-C), détente (C-D) et déplacement ou balayage (D-A).
Les canaux de liaison entre les phases de détente C-D et de compression A-B sont indiqués en 8. Ils sont dis- posés de manière à mettre chacun en communication temporaire une capacité en détente avec une capacité en compression à pression plus faible. Il se produit donc par les canaux de liaison un transport de fluide des capacités en détente vers les capacités en compression avec lesquelles elles sont suc- cessivement mises en communication. En parcourant l'arc A-B, une capacité contenant le fluide à comprimer recevra par con-
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séquent de'chaque canal de liaison un léger apport de fluide, et subira une série de compressions partielles qui porteront le fluide qu'elle contient à la pression finale désirée.
De même en parcourant l'arc C-D le fluide à détendre débitera dans chaque canal 8 jusqu'à ce qu'il ait repris la pression initiale.
Les fluides en A-B et en C-D étant à des températu- res différentes il est essentiel d'éviter qu'ils se mélangent tant dans les capacités 2 que dans la zône de déplacement B-C où se font simultanément l'admission et l'échappement à pres- sion constante. Ce résultat est atteint suivant la présente invention par l'entretien, dans les canaux 8 et les capacités 2, d'un flux continu qui sépare les deux flux principaux, les accompagne dans les phases A-B, B-C et C-D, et serve en quel- que sorte de cloison gazeuse entre eux, sans pénétrer dans l'échangeur de chaleur 7.
Pour expliquer ce rôle de cloison gazeuse on se réfèrera aux Figs. 1 et 2 où les hachures horizontales indi- quent le trajet suivi par le fluide à comprimer x et les ha- chures verticales le trajet suivi par le fluide à détendre y.
Les hachures obliques désignent le flux d'échange de pres- sion z. Comme le montre le plus clairement la Fig. 2 qui est un diagramme où le développement des arcs A-B, B-C, C-D est porté en abscisses,et la largeur de la couronne de capacités en ordonnées, on fait en sorte que le flux z circule dans les canaux 8, refoule le fluide x à comprimer dans les capacités situées dans la zone A-B, sépare dans la zone B-C le fluide sortant x, comprimé et chaud, du fluide entrant y, à la même pression mais refroidi, et reflue ensuite dans les canaux 8 sous la pression du gaz 1 à détendre dans la zône C-D.
Dans la couronne de capacités, le déplacement des
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flux gazeux peut avoir lieu du centre vers la périphérie, ou inversement de la périphérie vers le centre, ou encore parallè- lement à l'axe de rotation. Cette dernière disposition, dont les Figs. 5 et 6 montrent deux exemples de réalisation, présen- te certains avantages au point de vue de la simplicité de la construction, mais l'application de la présente invention n'y est nullement limitée.
Dans le cas des Figs. 5 et 6, le déplacement des flux gazeux dans les échangeurs de chaleur, les conduits d'ad- mission et d'échappement, ainsi que dans l'appareil rotatif, est assuré par des ventilateurs 9, 9' placés en des points convenables. Les orifices des conduits d'admission 5, 5' et d'échappement 6, 6' s'étendent sur toute la longueur des arcs B-C et D-A. Dans la Fig. 5 ces conduits sont situés dans le prolongement des segments B-C, D-A de la couronne de capaci- té, tandis que dans la Fig. 6 ils embrassent les deux bords périphériques de la couronne et ont la forme de volutes, comme le montre la Fig. 4.
Les canaux de liaison 8 sont extérieurs au rotor. Ils débouchent également dans l'enveloppe 4 et sont disposés sur un ou sur les deux côtés de celle-ci.
Les capacités 2 sont munies à leurs extrémités d'or- ganes de distribution, par exemple en forme de cuillers 11, 11' qui, en passant devant les orifices des canaux 8, met- tent les orifices 81, 82, 83e 84 situés à une extrémité de ceux-ci en communication avec les capacités situées dans la zone A-B,et les orifices 81', 82', 83', 84', situésà l'ex- trémité opposée des canaux, en communication avec les capaci- tés se trouvant dans la zône C-D.
Afin de réaliser la régularité du mouvement des flux gazeux, on donne aux orifices 81 - 84, 81' - 84' des canaux 8 @
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la même largeur qu'aux aubes ou cloisons 3, (Fig. 3) de ma- nière à éviter les courts-circuits entre capacités voisines, qui se produiraient fatalement si les canaux avaient une plus grande largeur. L'obturation réalisée au passage des aubes n'est qu'instantanée, et son effet est atténué si l'on fait en sorte qu'au moment où une extrémité d'un canal 8 est ob- turée par une aube, l'extrémité opposée se trouve au milieu d'une capacité. Il est ainsi rendu impossible que les canaux soient simultanément obturés aux deux bouts, ce qui entre- tient la continuité de l'opération et permet de doubler sa progressivité.
En effet pendant le temps où une capacité en détente (arc C-D) est en communication avec un canal déter- miné, l'autre extrémité du canal débite successivement dans deux capacités consécutives sur l'arc A-B, de sorte qu'on produit deux compressions partielles pendant l'abaissement de pression réalisé sur l'arc correspondant. De même, cette disposition permet à deux capacités en détente de débiter successivement dans le même canal pendant qu'une capacité en compression est en communication avec lui. Il en résulte un nombre de détentes partielles et un nombre de compressions partielles double de celui du nombre de canaux utilisés, soit huit dans l'exemple du dessin, d'où réduction de la perte d'énergie et de la vitesse de circulation.
Comme le montre le dessin, les orifices des canaux 8 n'occupent que la partie des arcs A-B et C-D étroitement entourée par l'enveloppe 4, pour éviter qu'ils soient mis en communication avec des capacités non encore fermées par l'enveloppe, et en outre pour permettre de créer un retard à l'admission et un retard à l'échappement.
Pour que le passage des flux d'une phase à la sui- vante se fasse progressivement et sans heurt, on fait en sorte que d'une part la vitesse d'entrée du gaz dans les capacités 2,
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et d'autre part la vitesse des gaz sortant de celles-ci, soient sur toute la longueur des arcs B-C et D-A égales, en grandeur et orientation, à la vitesse prise par le gaz à l'intérieur des capacités sous l'action combinée de son dé- placement dans celles-ci et de leur rotation. A cet effet les conduits d'admission 5,5' et d'échappement 6, 6' sont placés tangentiellement à la couronne, et l'on fait varier la section de ces conduits suivant une loi parabolique.
A la fin de la phase de déplacement B-C ou D-A le gaz introduit dans une capacité est animé d'une certaine vi- tesse. Or l'enveloppe doit fermer cette capacité pour passer à la phase suivante (détente ou compression). Pour éviter un choc, on donne à l'arête interne du conduit d'échappement la forme d'un bec 10 (Fig. 4) dont la pointe, légèrement espacée de la couronne, est orientée suivant la composante des vi- tesses du flux d'échappement, et dont la face interne se rac- corde par une courbe progressive à une tangente à la couronne des capacités.
Au lieu de faire usage d'un bec tel que 10 on pour- rait amortir la vitesse du gaz avant la fermeture, en effec- tuant celle-ci au moyen d'une pièce constituée de lames pa- rallèles qui créent une perte de charge.
Dans le but également d'amortir la vitesse à la fin de la phase de déplacement, il est désirable que le conduit d'admission 5 se ferme avant la fermeture du conduit de sor- tie 6. Ce décalage indiqué sur la Fig. 4 par l'angle Ó est généralement du même ordre de grandeur que l'angle embrassant le bec de refoulement 10.
Les capacités, elles-mêmes, ont une forme telle que leur section a, perpendiculairement au sens de circulation des gaz, soit sensiblement égale à leur surface d'admission b et
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à leur surface d'échappement .± (Fig. 6). Sur cette figure l'admission et l'échappement ont lieu par la périphérie de la couronne. Ils pourraient évidemment se faire par les côtés ou par l'intérieur de la couronne.
En fonctionnement, grâce à la continuité de la cir- culation des flux gazeux et aux mesures prises pour les gui- der, il s'établit, à côté des flux principaux et parallèle- lement à ceux-ci sur une partie de leur trajet, le flux appe- lé ci-dessus flux d'échange de pression. Si l'on envisage (Fig. 7) une capacité 2 au moment où la phase de compression vient de se terminer, la zône hachurée horizontalement re- présente le gaz comprimé et chaud qui commence à s'échapper par 6, la zône hachurée verticalement désigne le gaz toujours comprimé, mais refroidi, arrivant par 5 et la zone à hachures obliques représente le flux d'échange de pression z qui, au cours de la phase de compression A-B, a été introduit dans la capacité par les canaux 8 et y a comprimé le gaz qui s'y trou- vait.
Pendant la phase de déplacement B-C, le flux z traverse la capacité en restant interposé entre le flux chaud sortant et le flux froid entrant. La vitesse est réglée de telle sorte que lorsque le flux z atteint l'extrémité opposée de la capa- cité (Fig. 8) le conduit 6 est obturé, après quoi les orifices 81', 82', 83', 84' des canaux 8 se présentent successivement à la cuiller 11' et livrent passage, chacun, à une partie du flux z. Les canaux 8 débouchant par leur extrémité opposée, dans des capacités à des pressions plus faibles, le flux z sera refoulé par la détente du fluide de C-D, à travers les canaux 8, jusque dans les capacités situées dans la zone A-B.
La Fig. 9 montre une capacité de cette zone, dans laquelle les cuillers 11 débitent le flux z qui graduellement comprime le gaz jusqu'à ce que celui-ci s'échappe (Fig. 7) et que recommence
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la phase de déplacement.
Sur les Figs. 7 à 9 les deux extrémités des canaux 8 sont disposées de part et d'autre du rotor, afin de ramener le flux d'échange de pression à sa position initiale. Il est possible en pratique de laisser les canaux d'un côté du rotor, en n'employant qu'un jeu de cuillers 11 (Fig. 6), le flux z circulant alors dans la capacité d'abord dans un sens puis en sens inverse.
Dans certains cas on peut avantageusement déterminer l'emplacement du flux d'échange de pression et le guider à l'intérieur des capacités 2 au moyen de cloisons qui s'éten- dent dans ces chambres et délimitent dans chacune d'elles une antichambre plus particulièrement destinée à recevoir et à localiser le flux d'échange. Cette disposition permet d'empê- cher de façon plus efficace le mélange des courants gazeux x et y de températures différentes. Dans l'exemple d'exécution de l'invention représenté sur les Figs. 15 à 18 du dessin, les cloisons en question, désignées par 21, sont disposées co-axia- lement au rotor 1 et parallèlement à la direction des gaz pendant la phase de déplacement ou balayage.
Dans cette forme, la disposition générale des conduits d'admission et d'échappe- ment 5, 5' et 6, 6' est semblable à celle représentée sur la Fig. 5, mais chaque capacité du rotor est divisée, par une cloison 21, en une chambre principale 2a, qui communique pé- riodiquement avec les conduits 5, 6 et 5', 6', et une anti- chambre 2b réservée au flux d'échange de pression z. Comme le montrent les Figs. 17 et 18, chaque antichambre 2b communique d'une part avec une cuiller 11 de distribution et d'autre part avec une ouverture 22 débouchant dans la chambre 2a.
Pour que l'antichambre 2b ne soit pas balayée lors- qu'elle contient le gaz sous pression du flux d'échange z, les
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tubulures d'entrée 5 et de sortie 6,qui communiquent avec l'échangeur de chaleur à haute pression, ont une section ré- duite correspondant à la hauteur de la chambre 2a de façon que, seule, celle-ci soit balayée pendant la phase B-C de déplacement à haute pression.
Par contre, les conduits 5' et 6' correspondant à la phase D-A de déplacement à basse pression, s'étendent sur toute la hauteur des chambres 2a et 2b, car il y a avantage à ce que le gaz d'échange de pression participe à l'échange de chaleur à basse pression, et cède à l'extérieur les frigo- ries produites par sa détente.
Il y a intérêt à inverser le sens de circulation des gaz de balayage dans les conduits 5', 6' par rapport au sens dans les conduits 5, 6, pour que le gaz z' déplacé hors de l'antichambre et qui est de moindre qualité thermique, soit seul sujet au mélange et forme toujours, lors du balayage, tampon entre le gaz chaud x et le gaz refroidi y, le balayage étant réglé de manière à éviter, autant que possible ou néces- saire, la sortie de ce tampon.de l'appareil rotatif.
Il est facile de se rendre compte que le rôle du flux d'échange de pression reste le même que précédemment, comme expliqué avec référence aux Figs. 7, 8 et 9. Pendant la phase de compression A-B, le flux d'échange de pression z débité dans l'antichambre 2b par les orifices successifs 81, 82, 85, 84 des canaux 8, comprime progressivement le gaz qui occupe les chambres 2a (Fig. 18, en haut). Les dimensions re- latives des chambres 2a, 2b, sont telles qu'au début de la phase de balayage B-C, une partie z' du flux se trouve en regard de l'orifice 5 et sépare le gaz chaud sortant x du gaz froid entrant 1 (Fig. 17 en haut). Pendant la détente, le flux 2 est refoulé par les orifices 81', 82', 83', 84' des
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canaux 8 (Fig. 18, en bas) vers les capacités en phase de com- pression.
Enfin, le balayage à basse pression (Fig. 17, en bas) emporte les gaz froids qui occupaient les chambres 2a et 2b et les remplace par du gaz réchauffé à comprimer.
La présente invention vise, d'autre part, à faire en sorte que la cloison gazeuse constituée par le flux d'é- change entre le gaz en détente et le gaz en compression soit étendue de manière à compléter la séparation entre capacités voisines et à empêcher les fuites de l'une à l'autre de celles- ci le long de la périphérie interne de l'enveloppe. Comme ex- pliqué ci-après, ce résultat s'obtient en dérivant à travers les aubes ou cloisons 3, rendues creuses, une partie du flux d'échange de pression, passant par les canaux 8.
A cet effet, comme l'indiquent à titre d'exemple les Figs. 10 à 12, les cloisons creuses sont prolongées en 30, 30' entre les cuil- lers 11 d'une part et 11' de l'autre, et raccordées à des or- ganes de distribution, ou cuillers 12, 12', coudés vers l'a- vant, tandis que les canaux 8 sont pourvus de branchements dont les orifices 85, 86, 87, 88 et 85', 86', 87', 88' sont respectivement situés en arrière des orifices normaux 81, 82, 83, 84 et 81', 82', 83' et 84' de ces canaux, d'un angle correspondant à une capacité.
Dans ces conditions, pendant la phase de détente, les cuillers 12' venant en communication avec les branche- ments successifs 85', 86', 87', 88' la pression dans l'espace intérieur d'une aube sera légèrement inférieure à celle régnant à ce moment dans les deux capacités séparées par cette aube.
Il se produit donc de chaque capacité en détente, vers l'aube et à travers celle-ci et le canal devant lequel elle passe, une dérivation du flux z qui rejoint de nouveau ce flux dans le canal 8.
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De même, dans la phase de compression, les cuillers 12 sont mises en communication avec des branchements 85, 86, 87, 88 des canaux 8 situés en arrière des orifices respectifs 81, 82, 83, 84 de ceux-ci d'un angle correspondant à une ca- pacité, de sorte que la pression dans l'espace intérieur d'une aube sera légèrement supérieure à celle des deux capacités voisines. De chaque canal 8 partira donc également une déri- vation du flux z qui sera cueillie par les cuillers 12 des aubes successives et traversera celles-ci pour arriver dans les capacités en phase de compression le long de la périphérie in- terne de l'enveloppe.
Le débit des dérivations ainsi créées d'une part à la détente, de l'autre à la compression, peut être variable mais doit être suffisant pour empêcher la production de fuites entre capacités.
On remarquera que dans la position du rotor représen- tée sur les Figs. 10, 11 et 12, les orifices des conduits 8 du côté "compression" se trouvent dans l'axe des capacités qu'ils desservent, tandis que du côté "détente" les orifices sont situés en regard des cloisons 3, ce qui est conforme à une caractéristique énoncée au début de ce mémoire. Pour que cette caractéristique soit respectée, il importe qu'à ce mo- ment ces derniers orifices soient obturés par les cloisons.
Chacune des cloisons creuses 3 est à cet -effet fermée exté- rieurement, sur la partie de sa longueur correspondant à la largeur des cuillers 11 et 11' par des parois périphériques 31, 31' qui séparent entre elles les cuillers successives et em- pêchent toute communication directe entre les orifices 81-84 et 81'-84' et l'intérieur des cloisons 3. De même des parois 32, 32' séparent respectivement entre elles les cuillers 12, 12' successives. Pour ne pas nuire à la clarté du dessin, les pa-
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rois 31, 31', 32, 32', n'ont été représentées sur la Fig. 12 que dans la zône de détente C-D.
Dans l'appareil tel que décrit jusqu'à présent, les capacités ont un volume constant. Or, au passage dans l'é- changeur de chaleur 7 ou 7' le gaz subit, par suite de la va.- riation de température, une variation de volume qu'il y a lieu de compenser par un appoint ou par un prélèvement de gaz égal à cette variation. Il y a aussi lieu de compenser les pertes éventuelles par les fuites. Ce travail de compensation, qui constitue la dépense d'énergie la plus importante du cycle, est effectué, dans l'exemple envisagé, en combinant avec la couronne à capacités constantes déjà décrite, un rotor de compresseur à palettes, dans des conditions telles que la con- tinuité du flux d'échange de pression n'est pas affectée.
Comme le montre la Fig. 13 le rotor 13 de ce compres- seur est monté excentriquement à l'intérieur du rotor 1, et possède un nombre de palettes coulissant radialement, 14, lé- gèrement supérieur au nombre d'aubes 3 du rotor 1. Ces palet- tes délimitent des capacités variables 15 communiquant chacune avec une capacité 2, par une lumière 16.
Si les rotors 1 et 13 tournent à la même vitesse,le déplacement relatif des palettes 14 sur la paroi intérieure du rotor 1 se réduit à un mouvement alternatif de faible am- plitude. Chaque capacité 2 communiquant constamment en 16 avec une capacité 15, forme avec celle-ci une'capacité dont le vo- lume, au cours d'une révolution,varie entre un maximum et un minimum correspondant,l'un au volume occupé par le gaz à la température avant entrée dans l'échangeur 7, l'autre au volume occupé par le gaz après passage par cet échangeur.
Une telle disposition présenterait, cependant, en pra- tique l'inconvénient de renverser périodiquement le sens du
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déplacement de chaque palette sur la paroi 1. On évite cet inconvénient en faisant tourner le rotor 13 légèrement plus vite que le rotor 1, de façon que la vitesse relative des pa- lettes sur la paroi 1, qui est une fonction sinusoïdale, soit toujours positive.
Les lumières 16 percées dans la paroi intérieure du rotor 1 sont, comme l'indique la Fig. 14, disposées de telle manière que le flux d'air de compensation soit envoyé dans la partie de chaque capacité qui contient du gaz à même tem- pérature. Dans le cas de la Fig. 14, la lumière 16 se trouve en regard de l'extrémité de la capacité 2 opposée à la cuiller 11 de façon que le gaz arrivant par cette lumière vienne en contact avec le gaz comprimé chaud et non avec le gaz prove- nant des canaux de liaison. La lumière, ainsi, se trouve aussi en face du conduit d'échappement 6, de sorte que le flux ga- zeux traversant la lumière peut s'échapper sans entraver le déplacement des flux principaux dans la zone B-C.
Cette disposition a donc pour effet d'ajouter au flux d'air déplacé à pression constante, ou de retrancher de celui-ci, le flux engendré par le compresseur à palettes.0-lest en effet pendant les phases de déplacement ou de balayage à pression constante B-C, et D-A. que le compresseur à palettes doit assurer la variation de volume et son angle de calage est déterminé en conséquence. Pendant les phases de détente et de compression cette variation est assurée par les canaux de liaison 8.
La disposition représentée permet aussi d'utiliser, si on le désire le flux de compensation pour seconder le flux d'échange de pression dans son action contre la produc- tion de fuites le long des joints entre des surfaces en mouve- ment relatif. Il suffit à cet effet de ménager dans la paroi
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interne de la couronne 1 des trous en des points 16' tels qu'une dérivation du flux de compensation se fasse à travers les aubes ou cloisons creuses 3.
La variation de volume produite par le compensateur étant pratiquement localisée en deux arcs diamétralement op- posée, il est facile de comprendre que si l'on modifie la po- sition angulaire de ces arcs par rapport aux arcs B-C et C-D on modifiera la variation de volume produite pendant les pha- ses de déplacement à pression constante. En réglant le cala- ge du compresseur, c'est-à-dire en faisant tourner d'un angle donné le centre 0' du rotor 13 autour du centre 0 du rotor 1, on peut donc modifier à volonté le débit du compensateur. On dispose ainsi d'un moyen d'agir sur le flux de compensation, et par lui sur les autres les flux gazeux, indépendamment du ré- glage de la vitesse de rotation de l'appareil.
La fig. 14 indique une disposition qui permet d.'ob- tenir ce résultat d'une manière commode et simple. Le rotor 1 solidaire d'une couronne à denture intérieure 17 tourne sur un arbre fixe 0. Cet arbre est coudé en 0' et sur le coude 0' tourne le rotor 13 solidaire d'un pignon denté 18 qui engrène avec la couronne 17. Le rotor 1 étant entraîné par un moteur approprié actionne le rotor 13 à une vitesse déterminée par le rapport des engrenages 17, 18. Sur l'arbre 0 est fixée une roue à denture hélicoïdale 19 en prise avec une vis sans fin 20. En actionnant cette dernière on peut donc modifier à vo- lonté la position angulaire du coude 0', c'est-à-dire le ca- lage du compresseur.
Ce réglage peut se faire pendant le fonc- tionnement de l'appareil, les engrenages 17, 18 restant tou- jours en prise.
Des modifications peuvent évidemment être apportées aux exemples décrits sans sortir du cadre de la présente in- vention. C'est ainsi, par exemple, que la circulation des flux
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gazeux dans les capacités peut, comme déjà dit, être dirigée du centre du rotor vers la périphérie ou réciproquement. Dans l'un ou l'autre cas, la circulation des flux peut être entre- tenue par l'appareil lui-même fonctionnant comme ventilateur, ce qui rend inutile l'emploi de ventilateurs distincts. Les cloisons entre capacités répondent alors plus exactement au terme "aube" employé ci-dessus par extension pour les distin- guer d'autres parois. La couronne de capacités, d'autre part, les conduits de liaison et autres organes de distribution, de même que le compensateur, peuvent avoir toute forme et toute disposition appropriées.
Par "appareil rotatiftt il faut en- tendre ici tout appareil dont une partie, ensemble des capa- cités ou distributeur, est mobile par rapport à l'autre, quel- les que soient la forme et la disposition de ces parties.
REVENDICATIONS
1.- Procédé pour réaliser économiquement des trans- formations d'énergie thermique et dynamique, en utilisant des gaz suivant des cycles comprenant une compression une détente et au moins un échange de chaleur à pression constante, avec transmission directe de pression entre le gaz en phase de dé- tente et le gaz en phase de compression, ce procédé étant caractérisé en ce que le flux d'échange de pression qui résul- te de la transmission directe est entretenu et guidé de manière qu'il circule à la même vitesse et dans la même direction que le flux comprimé et le flux à détendre de façon qu'il s'inter- pose, à la manière d'une cloison gazeuse, entre ces deux flux de températures différentes.
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Method and apparatus for economically carrying out thermodynamic transformations.
The present invention relates to methods and apparatus which use gases in cycles comprising compression, heat exchange at relatively high constant pressure, expansion and heat exchange at relatively low pressure, for example with a view to the production. duction of heat or cold.
The compression of a gas absorbing energy and the expansion releasing energy, it is essential to recover as completely as possible the energy contained in the gas to be expanded in order to use it for compression.
The methods and apparatus proposed heretofore for this purpose have not given satisfactory results due to
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significant energy losses in compression and expansion operations.
In a first category of processes, independent mechanical devices were used to produce the compression and the expansion separately. These processes involved the complete separation of gas streams by means of members such as pistons moving in cylinders. Precisely these components caused losses of energy, in particular by friction, too great because of the cumulative effect of these losses relating to the sum of the compression and expansion work.
It was more rational to use the direct action of the gas to be expanded on the gas to be compressed with the interposition of the minimum possible of moving mechanical parts. In this connection, it has been proposed to eliminate any partitioning and to let the gas to be expanded directly transmit its pressure to the gas to be compressed.
Thus, in a second category of apparatus, it was necessary to expand the gas by successive partial withdrawals at decreasing pressure when this gas was contained in a closed capacity; in the same way, to compress the gas contained in another closed capacity by successive introductions of gas at a progressively increasing pressure, always higher than that prevailing in the receiving capacity, which was achieved by putting in communication, by channels , capacities containing the gas to be expanded with capacities containing the gas to be compressed.
These channels, in relative movement with respect to the set of capacities, played the role of distributors for the progressive exhaustion of the pressure of the gas to be relieved contained in a series of capacities, and the progressive increase the pressure of the gas to be compressed in the other series of @
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capacities, thus achieving a methodical exchange of pressure.
Then the opening of the capacities in the high pressure medium allowed the displacement of the compressed gas out of the capacities with a view to its passage through a heat exchanger at constant pressure. This displacement, carried out directly by the gas leaving this exchanger, then only required an expenditure of energy reduced to that due to the pressure drops in the circuit, and could be provided for example by a fan.
We thus sought to use the energy released by the expansion to perform the compression of an equal volume of gas at the same pressure, to reduce the mechanical energy involved to that necessary to compensate for the variations in gas volume due to the exchanges. heat as well as losses, particularly through leaks.
In this second category of devices, if the friction losses due to the material partitions were indeed eliminated, other losses were created, resulting in failure in practice as a result of the gas mixtures and the inevitable leaks. , in particular those due to the partitioning of the flows by the capacitors all along the surfaces of separation between them.
The object of the method according to the invention is to remedy the drawbacks of these two categories of apparatus and to reconcile the advantages of partitioning and those of the direct action of the gas flows on one another. It is based on the observation that the flow created by the exchange of pressure between the gas in the expansion phase and the gas in the compression phase offers an ideal means of separating the main flows if it is possible to prevent it from mixing with those
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ci and to merge with them during its path outside the connecting channels.
To this end, the method according to the invention consists in maintaining and guiding the pressure exchange flow so that it circulates at the same speed and in the same direction as the two main flows and that, remaining separate, it interposes itself in the manner of a gas partition, between the two flows at different temperatures, one of which goes to the heat exchanger and the other from which comes.
When the process is carried out in a rotary apparatus comprising a ring of capacities movable with respect to a fixed distributor, or fixed with respect to a movable distributor, it is ensured, by the adjustment in speed, orientation, and location of the flow exchange of pressure, that between the phases of compression and expansion this flow circulates in the rotary apparatus without leaving this one, and consequently without participating in the heat exchange.
In order for the exchange flow to be able to fulfill its role as a gas partition, it is first necessary that, contrary to what took place in the devices of the second category mentioned above, the flow of gas from the de- When attempting to compress, be as continuous as possible in speed, orientation, and location.
It is necessary, in particular, that the connecting channels communicate at all times with at least one of the two phases and that their orifices are arranged in such a way, with respect to the capacities, that there is no neither short-circuit nor leakage between two neighboring capacitors, either in the expansion phase or in the compression phase.
To this end, the orifices of the connecting channels are given the same width as the partitions which separate the openings.
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admissions in the capacities of the rotor, to allow their closure during the passage from one capacity to the next, which avoids the short-circuit; furthermore, it is ensured that when one end of a channel is closed off by a partition, the opposite end is located in the axis of a capacity. Stops and shocks likely to cause mixing or stirring of fluids are thus avoided and the continuity of pressure variations is increased.
The pressure exchange flow thus delivered practically constantly by the connecting channels., Receives a direction substantially constant with respect to the flows in the expansion phase and in the compression phase, by virtue of the appropriate orientation of the orifices of the pressure channels. link which communicates with the capacities containing the main flows. These orifices are distributed exclusively in the part of the casing which closely surrounds the capacitors in order to prevent the channels from being periodically placed in communication with the intake and exhaust ducts.
The pressure exchange flow circuit is completed through the tanks where the compressed and heated gas is displaced, before escaping into the heat exchanger, by the cooled compressed gas, ready to be expanded. The shape and arrangement of the orifices of the intake and exhaust ducts are determined so as to ensure the continuity of the exchange flow during this phase and to reduce the speed of the flows at the inlet and the outlet. 'exhaust, in order to avoid too abrupt passage from one phase to the next.
In the capacities, the pressure exchange flow can advantageously be guided and localized with the aid of partitions which there delimit a zone or anteroom more particularly reserved for this flow. This anteroom in which
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the pressure exchange flow is admitted to effect, from there, the compression of the gas in the whole of the capacity, can advantageously be subtracted from the sweeping during the phase of displacement at high pressure so that only the compressed hot gas passes into the heat exchanger. To this end, the pipes for supplying and leaving the high-pressure gas are given a reduced section which extends only over part of the capacities and excludes the anterooms from the sweep.
According to another characteristic of the invention, the gas partition formed by the pressure exchange flow between the expanding gas and the compressing gas can be extended so as to complete the material separation between the neighboring capacitors and to prevent leaks. between these, along the periphery of the envelope. For this purpose the blades or partitions of the rotor which limit the successive capacities, are made hollow and the spaces created inside these blades or partitions are placed in communication with connecting channels where a pressure prevails slightly different from those. existing in the capacities to be separated.
On the expansion side, this pressure will be slightly lower than the pressures on either side of the vane considered; on the compression side it will be slightly higher, so that a bypass of the pressure exchange flow is established through the blades and the connecting channels which, without harming the continuity of the latter, perfects, by a gaseous partitioning the along the edges of the blades, the material partitioning constituted by them.
To the flows of different temperatures to be separated and to the pressure exchange flow ensuring this separation, the device must also add the compensating flow necessary to compensate for the variations in volume due to the changes in temperature undergone in the heat exchangers outside the appliance, i.e. between the
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moment when a gas flow leaves the device and when it is taken up by the latter after having participated in a heat exchange. According to the invention, the compensation flow is used with a view to promoting the continuity of the pressure exchange flow.
Like the latter, it is directed parallel to the main flows, which is advantageously achieved by adding, to the capacities of constant volume, capacities of variable volume to be added or subtracted according to the case to those of the main flows.
In a practical and simple embodiment of the invention, the capacitors arranged in a ring rotating around its axis are closed during the compression and expansion phases by a casing which, in two diametrically opposed zones, s 'scroll-shaped opening to guide the main flows out of the device during phases of constant pressure displacement. The compression zones on the one hand and expansion zones on the other hand communicate with each other by connecting channels fixed to the casing.
The vanes or partitions separating the capacitors are hollow and traversed, during their passage through these zones, by diversions of the pressure exchange flow.
A vane compressor rotor is eccentrically disposed inside the crown, the volume between the successive vanes constituting the variable capacity necessary to create the compensation flow parallel to the compressed air flows. .
The invention will be described hereinafter in more detail with reference to the accompanying drawings which schematically represent the principle of the invention, exemplary embodiments as well as explanatory diagrams.
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Fig. 1 is a schematic view of the entire apparatus.
Fig. 2 is a diagram showing the role played by the pressure exchange flow.
Figs. 3 and 4 are schematic cross sections of a form of rotary apparatus, in planes perpendicular to its axis of rotation, indicated respectively by lines III-III and IV-IV in FIG. 6.
Fig. 5 is a diametral section showing a variant.
Fig. 6 is a schematic section on a diametric plane indicated by the line VI-VI in FIG. 4.
Figs. 7, 8 and 9 are explanatory sectional views.
Fig. 10 is a section along X-X (Fig. 11) and
Fig. 11 a section along XI-XI (Fig. 10) showing the supply of the hollow vanes by a bypass of the pressure exchange flow.
Fig. 12 shows the development of the periphery of the casing of the apparatus according to FIG. 10 and its connecting channels.
Fig. 13 is a section similar to FIG. 4, showing the arrangement of a compressor intended to provide a compensating flow capable of co-operating with the pressure exchange flow.
Fig. 14 is a section taken along the line XIV-XIV of FIG. 13.
Fig. 15 shows in section along the line XV-XV 'of FIG. 17, a form of apparatus comprising, in the capacities, anterooms for locating the pressure exchange flow.
Fig. 16 is a section taken along the line XVI-XVI 'of FIG. 17.
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Figs. 17 and 18 are two radial sections taken respectively along lines XVII-XVII 'and XVIII-XVIII' of FIG. 15.
In the drawings, 1 designates the rotor comprising a ring of capacitors 2 separated from one another by partitions or vanes 3 and rotating in a casing 4 provided with intake ducts 5, 5 'and exhaust ducts 6. , 6 'connected to temperature exchangers 7 and 7' at high and low pressure.
With the rotor rotating in the direction of the arrow (Fig.l) it is assumed that the compression takes place between A and B, the high pressure exhaust from B to C, the compressed and heated gas being cooled under constant pressure in the exchanger 7 to be brought back between B and C in the rotor where. it expands from C to D. Returned to its initial pressure, the cooled gas is discharged between D and A in the exchanger 7 'in which it heats up under constant pressure and from where it is taken up by the rotor to be compressed again from A to B and start the cycle again. The successive phases, in a capacity making a complete revolution, are therefore: compression (A-B), displacement or sweeping (B-C), relaxation (C-D) and displacement or sweeping (D-A).
The connecting channels between the expansion C-D and compression phases A-B are indicated at 8. They are arranged so as to each place in temporary communication an expansion capacity with a compression capacity at lower pressure. The connection channels therefore transport fluid from the expansion capacities to the compression capacities with which they are successively placed in communication. By traversing the arc A-B, a capacity containing the fluid to be compressed will receive by con-
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sequent from each connecting channel a slight supply of fluid, and will undergo a series of partial compressions which will bring the fluid it contains to the desired final pressure.
Likewise, by traversing the arc C-D, the fluid to be expanded will flow into each channel 8 until it has taken up the initial pressure.
The fluids in AB and CD being at different temperatures, it is essential to prevent them from mixing both in the capacities 2 and in the displacement zone BC where the admission and the exhaust are carried out simultaneously at high pressure. - constant zion. This result is achieved according to the present invention by the maintenance, in the channels 8 and the capacitors 2, of a continuous flow which separates the two main flows, accompanies them in the phases AB, BC and CD, and serves in what- as a sort of gas partition between them, without entering the heat exchanger 7.
To explain this role of gas partition, reference will be made to FIGS. 1 and 2 where the horizontal hatching indicates the path followed by the fluid to be compressed x and the vertical hatching the path followed by the fluid to be expanded y.
The oblique hatching denotes the pressure exchange flow z. As most clearly shown in Fig. 2 which is a diagram where the development of the arcs AB, BC, CD is plotted on the abscissa, and the width of the capacitor ring on the ordinate, we make sure that the flow z circulates in the channels 8, pushes the fluid x to compress in the capacities located in zone AB, separates in zone BC the exiting fluid x, compressed and hot, from the entering fluid y, at the same pressure but cooled, and then flows back into the channels 8 under the pressure of gas 1 to relax in the CD area.
In the crown of capacities, the displacement of
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gas flow can take place from the center to the periphery, or vice versa from the periphery to the center, or else parallel to the axis of rotation. This last arrangement, of which Figs. 5 and 6 show two exemplary embodiments, has certain advantages from the point of view of simplicity of construction, but the application of the present invention is by no means limited thereto.
In the case of Figs. 5 and 6, the movement of the gas streams in the heat exchangers, the intake and exhaust ducts, as well as in the rotary apparatus, is ensured by fans 9, 9 'placed at suitable points. The orifices of the intake 5, 5 'and exhaust 6, 6' ducts extend over the entire length of the arcs B-C and D-A. In Fig. 5 these conduits are located in the extension of segments B-C, D-A of the capacitor ring, while in FIG. 6 they embrace the two peripheral edges of the crown and have the shape of volutes, as shown in Fig. 4.
The connecting channels 8 are external to the rotor. They also open into the casing 4 and are arranged on one or on both sides thereof.
The capacitors 2 are provided at their ends with distribution members, for example in the form of spoons 11, 11 'which, passing in front of the orifices of the channels 8, place the orifices 81, 82, 83e 84 located at one end thereof in communication with the capacitors located in area AB, and the ports 81 ', 82', 83 ', 84', located at the opposite end of the channels, in communication with the capacitors se found in the CD area.
In order to achieve the regularity of the movement of the gas flows, the orifices 81 - 84, 81 '- 84' are given channels 8 @
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the same width as the vanes or partitions 3, (Fig. 3) so as to avoid short-circuits between neighboring capacitors, which would inevitably occur if the channels had a greater width. The obturation produced when the vanes pass is only instantaneous, and its effect is attenuated if it is ensured that when one end of a channel 8 is blocked by a vane, the end opposite is in the middle of an ability. It is thus made impossible for the channels to be simultaneously blocked at both ends, which maintains the continuity of the operation and makes it possible to double its progressiveness.
In fact, during the time when an expansion capacitor (arc CD) is in communication with a determined channel, the other end of the channel delivers successively in two consecutive capacitors on the arc AB, so that two compressions are produced. partial during the pressure reduction achieved on the corresponding arc. Likewise, this arrangement allows two expansion capacitors to deliver successively in the same channel while a compression capacitor is in communication with it. This results in a number of partial detents and a number of partial compressions double that of the number of channels used, ie eight in the example of the drawing, hence reducing the loss of energy and the speed of circulation.
As shown in the drawing, the orifices of the channels 8 occupy only the part of the arcs AB and CD closely surrounded by the casing 4, to prevent them from being placed in communication with capacitors not yet closed by the casing, and further to allow creation of an intake delay and an exhaust delay.
So that the flow of flows from one phase to the next is gradual and smooth, we ensure that on the one hand the speed of gas entering the capacitors 2,
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and on the other hand the speed of the gases leaving them, are over the entire length of the arcs BC and DA equal, in magnitude and orientation, to the speed taken by the gas inside the capacities under the combined action of its movement in these and their rotation. For this purpose, the inlet 5.5 ′ and exhaust 6, 6 ′ ducts are placed tangentially to the crown, and the section of these ducts is varied according to a parabolic law.
At the end of the displacement phase B-C or D-A, the gas introduced into a tank is animated at a certain speed. However, the envelope must close this capacity to move on to the next phase (expansion or compression). To avoid a shock, the internal edge of the exhaust duct is given the shape of a spout 10 (Fig. 4), the point of which, slightly spaced from the crown, is oriented according to the speed component of the flow. exhaust, and whose internal face is connected by a progressive curve at a tangent to the crown of capacities.
Instead of using a nozzle such as 10 one could dampen the speed of the gas before closing, effecting this by means of a part made up of parallel blades which create a pressure drop. .
Also for the purpose of damping the speed at the end of the displacement phase, it is desirable that the inlet duct 5 closes before the outlet duct 6 closes. This offset shown in FIG. 4 by the angle Ó is generally of the same order of magnitude as the angle embracing the discharge nozzle 10.
The capacitors themselves have a shape such that their section a, perpendicular to the direction of gas flow, is substantially equal to their inlet surface b and
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to their exhaust surface. ± (Fig. 6). In this figure, admission and exhaust take place through the periphery of the crown. They could obviously be done from the sides or from the inside of the crown.
In operation, thanks to the continuity of the circulation of the gas flows and to the measures taken to guide them, it is established, next to the main flows and parallel to them over part of their path, the flow referred to above as pressure exchange flow. If we consider (Fig. 7) a capacity 2 when the compression phase has just ended, the horizontally hatched area represents the hot compressed gas which begins to escape at 6, the vertically hatched area designates the gas still compressed, but cooled, arriving at 5 and the oblique hatching zone represents the pressure exchange flow z which, during the compression phase AB, was introduced into the capacity through channels 8 and y compressed the gas inside.
During the displacement phase B-C, the flow z crosses the capacitor while remaining interposed between the outgoing hot flow and the incoming cold flow. The speed is adjusted so that when the flow z reaches the opposite end of the capacity (Fig. 8) the duct 6 is blocked, after which the orifices 81 ', 82', 83 ', 84' of the channels 8 are presented successively to the spoon 11 'and each provide passage to a part of the flow z. The channels 8 opening at their opposite end, in capacities at lower pressures, the flow z will be discharged by the expansion of the fluid from C-D, through the channels 8, to the capacities located in zone A-B.
Fig. 9 shows a capacity of this zone, in which the spoons 11 deliver the flow z which gradually compresses the gas until it escapes (Fig. 7) and starts again.
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the displacement phase.
In Figs. 7 to 9 the two ends of the channels 8 are arranged on either side of the rotor, in order to bring the pressure exchange flow back to its initial position. In practice, it is possible to leave the channels on one side of the rotor, using only a set of spoons 11 (Fig. 6), the flow z then circulating in the capacity first in one direction and then in direction. reverse.
In some cases, the location of the pressure exchange flow can advantageously be determined and guided inside the capacities 2 by means of partitions which extend into these chambers and define in each of them a more ante-chamber. particularly intended to receive and locate the exchange flow. This arrangement makes it possible to prevent the mixing of gas streams x and y of different temperatures more effectively. In the exemplary embodiment of the invention shown in FIGS. 15 to 18 of the drawing, the partitions in question, designated by 21, are arranged co-axially with the rotor 1 and parallel to the direction of the gases during the displacement or sweeping phase.
In this form, the general arrangement of the inlet and outlet ducts 5, 5 'and 6, 6' is similar to that shown in FIG. 5, but each capacity of the rotor is divided, by a partition 21, into a main chamber 2a, which periodically communicates with the conduits 5, 6 and 5 ', 6', and an anti-chamber 2b reserved for the flow of pressure exchange z. As shown in Figs. 17 and 18, each antechamber 2b communicates on the one hand with a dispensing spoon 11 and on the other hand with an opening 22 opening into the chamber 2a.
So that the anteroom 2b is not swept when it contains the pressurized gas of the exchange flow z, the
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inlet 5 and outlet 6 pipes, which communicate with the high pressure heat exchanger, have a reduced section corresponding to the height of the chamber 2a so that, only, this is swept during the phase High pressure displacement BC.
On the other hand, the conduits 5 'and 6' corresponding to the phase DA of displacement at low pressure, extend over the entire height of the chambers 2a and 2b, since it is advantageous for the pressure exchange gas to participate to the exchange of heat at low pressure, and yields to the outside the refrigerators produced by its expansion.
It is advantageous to reverse the direction of circulation of the scavenging gases in the conduits 5 ', 6' with respect to the direction in the conduits 5, 6, so that the gas z 'displaced out of the antechamber and which is less thermal quality, is the only subject to mixing and always forms, during the sweeping, a buffer between the hot gas x and the cooled gas y, the sweeping being adjusted so as to avoid, as much as possible or necessary, the exit of this buffer .of the rotary device.
It is easy to see that the role of the pressure exchange flow remains the same as before, as explained with reference to Figs. 7, 8 and 9. During the compression phase AB, the pressure exchange flow z delivered into the antechamber 2b through the successive orifices 81, 82, 85, 84 of the channels 8, progressively compresses the gas which occupies the chambers. 2a (Fig. 18, top). The relative dimensions of the chambers 2a, 2b are such that at the start of the sweeping phase BC, part z 'of the flow is located opposite the orifice 5 and separates the hot gas leaving x from the cold gas entering. 1 (Fig. 17 above). During the expansion, the flow 2 is discharged through the orifices 81 ', 82', 83 ', 84' of the
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channels 8 (Fig. 18, bottom) to the capacities in the compression phase.
Finally, the low pressure sweep (Fig. 17, bottom) takes away the cold gases which occupied the chambers 2a and 2b and replaces them with heated gas to be compressed.
The present invention aims, on the other hand, to ensure that the gas partition formed by the exchange flow between the expanding gas and the compressing gas is extended so as to complete the separation between neighboring capacitors and to preventing leakage from one to the other along the inner periphery of the casing. As explained below, this result is obtained by drifting through the vanes or partitions 3, made hollow, part of the pressure exchange flow, passing through the channels 8.
To this end, as shown by way of example in Figs. 10 to 12, the hollow partitions are extended at 30, 30 'between the spoons 11 on the one hand and 11' on the other, and connected to distribution bodies, or spoons 12, 12 ', angled towards the front, while the channels 8 are provided with connections of which the orifices 85, 86, 87, 88 and 85 ', 86', 87 ', 88' are respectively located behind the normal orifices 81, 82, 83, 84 and 81 ', 82', 83 'and 84' of these channels, at an angle corresponding to a capacity.
Under these conditions, during the expansion phase, the spoons 12 'coming into communication with the successive branches 85', 86 ', 87', 88 'the pressure in the interior space of a blade will be slightly lower than that reigning at this moment in the two capacities separated by this dawn.
There is therefore produced from each capacity in relaxation, towards the dawn and through this one and the channel in front of which it passes, a derivation of the flow z which joins again this flow in the channel 8.
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Likewise, in the compression phase, the spoons 12 are placed in communication with connections 85, 86, 87, 88 of the channels 8 located behind the respective orifices 81, 82, 83, 84 thereof at an angle corresponding to a capacity, so that the pressure in the interior space of one blade will be slightly higher than that of the two neighboring capacities. From each channel 8 will therefore also leave a derivation of the flow z which will be picked up by the spoons 12 of the successive vanes and will pass through these to arrive in the capacitors in the compression phase along the internal periphery of the casing. .
The flow of the by-passes thus created on the one hand for expansion and on the other for compression, can be variable but must be sufficient to prevent the production of leaks between capacitors.
It will be noted that in the position of the rotor shown in Figs. 10, 11 and 12, the orifices of the conduits 8 on the "compression" side are located in the axis of the capacities which they serve, while on the "expansion" side the orifices are situated opposite the partitions 3, which is in accordance with to a characteristic stated at the beginning of this thesis. In order for this characteristic to be observed, it is important that at this time these latter openings be closed by the partitions.
Each of the hollow partitions 3 is for this purpose closed on the outside, over the part of its length corresponding to the width of the spoons 11 and 11 'by peripheral walls 31, 31' which separate the successive spoons between them and prevent any direct communication between the orifices 81-84 and 81'-84 'and the interior of the partitions 3. Similarly, the walls 32, 32' separate the successive spoons 12, 12 'respectively from one another. In order not to affect the clarity of the drawing, the
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kings 31, 31 ', 32, 32', have not been shown in FIG. 12 than in the relaxation zone C-D.
In the apparatus as described so far, the capacitors have a constant volume. However, on passing through the heat exchanger 7 or 7 ', the gas undergoes, as a result of the temperature variation, a variation in volume which it is necessary to compensate for by a make-up or by a sample. of gas equal to this variation. It is also necessary to compensate for any losses through leaks. This compensation work, which constitutes the most important energy expenditure of the cycle, is carried out, in the example considered, by combining with the constant capacity ring gear already described, a vane compressor rotor, under conditions such as the continuity of the pressure exchange flow is not affected.
As shown in Fig. 13 the rotor 13 of this compressor is mounted eccentrically inside the rotor 1, and has a number of radially sliding vanes, 14, slightly greater than the number of vanes 3 of the rotor 1. These vanes delimit variable capacitors 15 each communicating with a capacitor 2, by a light 16.
If the rotors 1 and 13 rotate at the same speed, the relative displacement of the vanes 14 on the inner wall of the rotor 1 is reduced to a reciprocating motion of low amplitude. Each capacity 2 communicating constantly at 16 with a capacity 15, forms therewith a capacity whose volume, during one revolution, varies between a maximum and a corresponding minimum, one to the volume occupied by the gas at the temperature before entering the exchanger 7, the other at the volume occupied by the gas after passing through this exchanger.
Such an arrangement would, however, in practice have the drawback of periodically reversing the meaning of
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displacement of each pallet on the wall 1. This drawback is avoided by making the rotor 13 turn slightly faster than the rotor 1, so that the relative speed of the pallets on the wall 1, which is a sinusoidal function, is always positive.
The slots 16 drilled in the inner wall of the rotor 1 are, as shown in FIG. 14, arranged so that the make-up air flow is sent to the part of each tank which contains gas at the same temperature. In the case of FIG. 14, the aperture 16 is located opposite the end of the capacity 2 opposite the spoon 11 so that the gas arriving through this aperture comes into contact with the hot compressed gas and not with the gas coming from the channels of binding. The lumen, thus, is also in front of the exhaust duct 6, so that the gas flow passing through the lumen can escape without hindering the movement of the main streams in the area B-C.
This arrangement therefore has the effect of adding to the flow of air displaced at constant pressure, or of subtracting therefrom, the flow generated by the vane compressor. 0-ballast in fact during the displacement or sweeping phases at constant pressure BC, and DA. that the vane compressor must ensure the volume variation and its pitch angle is determined accordingly. During the expansion and compression phases this variation is provided by the connecting channels 8.
The arrangement shown also permits the use, if desired, of the compensating flow to assist the pressure exchange flow in its action against the production of leaks along the joints between surfaces in relative motion. It suffices for this purpose to spare in the wall
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of the crown 1 of the holes at points 16 'such that a diversion of the compensation flow takes place through the vanes or hollow partitions 3.
The variation in volume produced by the compensator being practically localized in two diametrically opposed arcs, it is easy to understand that if we modify the angular position of these arcs with respect to the arcs BC and CD we will modify the variation of volume produced during constant pressure displacement phases. By adjusting the compressor setting, that is to say by rotating the center 0 'of rotor 13 around the center 0 of rotor 1 by a given angle, it is therefore possible to modify the flow rate of the compensator at will. A means is thus available to act on the compensation flow, and through it on the other gas flows, independently of the adjustment of the speed of rotation of the apparatus.
Fig. 14 indicates an arrangement which makes it possible to obtain this result in a convenient and simple manner. The rotor 1 integral with a ring gear 17 rotates on a fixed shaft 0. This shaft is bent at 0 ′ and on the bend 0 ′ rotates the rotor 13 secured to a toothed pinion 18 which meshes with the crown 17. The rotor 1 being driven by a suitable motor actuates the rotor 13 at a speed determined by the ratio of the gears 17, 18. On the shaft 0 is fixed a helical toothed wheel 19 in mesh with a worm 20. By actuating the latter one can therefore modify at will the angular position of the elbow 0 ', that is to say the timing of the compressor.
This adjustment can be made while the apparatus is in operation, the gears 17, 18 always remaining engaged.
Modifications can obviously be made to the examples described without departing from the scope of the present invention. This is how, for example, the circulation of flows
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gaseous in the capacities can, as already said, be directed from the center of the rotor towards the periphery or vice versa. In either case, the circulation of the flows can be maintained by the apparatus itself functioning as a fan, which makes the use of separate fans unnecessary. The partitions between capacitors then correspond more exactly to the term "blade" used above by extension to distinguish them from other walls. The capacitor ring, on the other hand, the connecting conduits and other distribution members, as well as the compensator, may have any suitable shape and arrangement.
By "rotary apparatus" is meant here any apparatus of which a part, all of the capacities or distributor, is movable with respect to the other, whatever the shape and arrangement of these parts.
CLAIMS
1.- Process for economically carrying out thermal and dynamic energy transformations, using gases following cycles comprising compression, expansion and at least one heat exchange at constant pressure, with direct transmission of pressure between the gas in expansion phase and the gas in compression phase, this method being characterized in that the pressure exchange flow which results from the direct transmission is maintained and guided so that it circulates at the same speed and in the same direction as the compressed flow and the flow to be expanded so that it interferes, like a gas partition, between these two flows of different temperatures.