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Machine à piston à gaz chaud.
Il est connu de réaliser l'échangeur de chaleur de machines à piston à gaz chaud de manière que le circuit de fluide soit subdivisé et qu'à cet état divisé, le fluide échange de la chaleur avec la paroi de l'échangeur. Dans les machines à piston à gaz chaud, il importe en général que l'échange de chaleur s'effectue avec un rendement élevé et très rapidement; de plus, il faut que cet échange n'offre qu'une faible résistance au passage du fluide qui se trouve en contact thermique avec la paroi; la plupart des formes de construction connues ne satis- font pas ou guère à cette condition.
L'invention fournit une forme de construction d'un, échan- geur de chaleur pour ma.chines à piston à gaz chaud qui obvie aux inconvénients précités et qui, en outre, permet de réduire for- tement l'espace mort dans la machine.
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Par "machine à piston à gaz chaud", il y a lieu d'entendre ici une machine à piston utilisée pour transformer l'énergie calorique en énergie mécanique ou l'énergie mécanique en énergie calorique, dans laquelle un fluide, toujours à l'état gazeux et de composition chimique invariable décrit un cycle fermé ou un cycle ouvert. La machine à piston à gaz chaud peut donc être un moteur à gaz chaud ou bien une machine réfrigéran- te fonctionnant suivant le principe inverse de celui du moteur à gaz chaud. L'échangeur de chaleur conforme à l'invention, sert indifféremment à fournir de l'énergie caloriaue au fluide actif de la machine ou à prélever de l'énergie calorique de ce fluide.
La paroi précitée, le plus souvent de forme cylindrique, sépare les deux fluides entre lesquels doit se produire un échange de chaleur. Dans le moteur à gaz chaud conforme à l'invention, cette paroi constitue une cloison entre le fluide actif dans la machine et par exemple, les gaz brûlés d'un dispositif de chauffage, par exemple un brûleur, ou bien entre le fluide actif et un autre fluide, gazeux ou liquide, qui provoque une réfrigération. Bien que, dans un moteur à gaz chaud, les moyens échangeurs de chaleur conformes à la présente invention puissent aussi s'utiliser sur la face de la paroi que lèchent les-gaz brûlés ou le fluide réfrigérant, de préférence on utilisera ce- pendant ces moyens sur la face que lèche le fluide actif de la machine.
Par contre, dans une machine frigorifique, fonctionnant suivant le principe inverse de celui du moteur à gaz chaud, les moyens échangeurs de chaleur seront, de préférence, utilisés sur la face de la paroi que lèche le fluide à refroidir (gaz ou liquide).
La machine à.piston à gaz chaud conforme à l'invention, dans laquelle le fluide subdivisé échange de la chaleur avec la paroi cylindrique de l'échangeur de chaleur, présente la parti- cularité qu'au moins l'une des faces de la paroi que lèche le
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fluide, comporte des moyens pour assurer un contact intime entre d'une part le fluide qui traverse un certain nombre de voies, branchées en parallèle et de longueur au maximum égale à un tiers de l'une des dimensions (hauteur et diamètre) de cette paroi, et d'autre part la paroi ou les moyens échangeurs de chaleur prévus sur cette paroi et que la surface de la par- tie de la paroi par laquelle le fluide se trouve en contact avec cette paroi, ou avec les moyens échangeurs de chaleur prévus sur cette paroi,
soit au moins égale à la moitié de la surface totale de cette paroi.
Par "cylindre", il y a lieu d'entendre ici la surface obtenue par la translation d'une droite le long d'une ligne fermée continue (par. exemple un cercle) ou d'une ligne brisée fermée, ou une surface qui se rapproche de cette forme.
Pour limiter au minimum les pertes de charge dans le dispositif échangeur de chaleur, la Demanderesse utilise un grand nombre de courtes voies, branchées en parallèle. De ce fait, les vitesses de circulation du fluide sont assez faibles ce qui favorise l'échange de chaleur. Pour éviter que la quan- tité de chaleur par unité de surface de 1.'échangeur n'atteigne une valeur inadmissible, dans l'échangeur de chaleur conforme à l'invention, le fluide se trouve en contact intime avec la paroi, ou avec les moyens .échangeurs de chaleur prévus sur cette paroi au moins sur la moitié de la surface de la paroi cylindrique. La paroi avec laquelle le fluide se trouve en contact thermique peut être lisse ou, comme il a déjà été dit, comporter des moyens échangeurs de chaleur. Ceux-ci peuvent être constitués par des saillies, par exemple par des nervures.
L'utilisation de nervures ou ailettes pour augmenter la trans- mission de la chaleur est connue. Cependant, par suite des bon- nes propriétés de l'échangeur de chaleur conforme à l'inven- tion, il y suffit de saillies plus courtes que dans les échan- geurs de chaleur connus. Abstraction faite de l'économie de ma-
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tière qui en résulte, cette disposition offre encore un autre avantage: elle permet de réduire notablement l'espace mort d'une machine à piston à gaz chaud. La diminution de cet espace mort augmente la puissance spécifioue de la machine.
Pour utiliser au mieux la surface disponible d'une paroi de diamètre donné, suivant une autre forme d'exécution de l'invention, il est recommandable que les voies branchées en parallèle par lesquelles le fluide est en contact intime avec la paroi, respectivement avec les moyens échangeurs de chaleur prévus sur cette paroi, forment un certain angle avec l'axe de la paroi cylindrique. En général, ceci impliqué que la trans- mission de la chaleur se produit sur une hauteur plus grande de la paroi que dans le cas où l'on n'utilise pas cette disposi- tion spéciale, mais, dans certains cas, ceci ne suscite pas de difficultés particulières. Pour limiter la hauteur sur la- quelle s'effectue la transmission de la chaleur, conformément à l'invention, on'disposera de préférence les canaux d'amenée du fluide entre les canaux d'évacuation.
Suivant l'invention, il est bon qu'au moins l'une des dimensions transversales des canaux d'amenée et/ou d'évacuation varie progressivement.
Suivant une autre forme d'exécution de la machine à piston à gaz chaud conforme à l'invention, on peut introduire dans le cylindre une chemise cylindrique coaxiale, de diamètre plus petit, dont la paroi comporte des canaux d'alimentation et des canaux d'évacuation, par lesquels le fluide, ici le fluide actif de la machine, qui a traversé les canaux d'amenée, vient en contact intime avec la paroi ou avec les moyens échangeurs de chaleur que comporte cette paroi, ce qui provoque un échange de chaleur, et traverse ensuite les canaux d'éva- cuation. La Demanderesse a constaté que cet agencement four- nit un réchauffeur ou un réfrigérant qui donne entière satis- faction pour ce genre de machines.
Pour simplifier la fabrica- tion de la chemise intérieure, conformément à l'invention,
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on peut entourer directement la chemise intérieure d'une seconde chemise, espacée de la première, et comportant des rainures qui correspondent essentiellement aux canaux prévus dans la première chemise. La face intérieure de la paroi utili- sée pour l'échange de chaleur, peut comporter un certain nom- bre de nervures annulaires. Celles-ci favorisent l'échange de chaleur.
Dans une autre forme d'exécution de la machine à pis- ton à gaz chaud conforme à l'invention, l'une des faces ou les deux faces de la paroi cylindrique comportent un grand nombre d'aspérités, des broches, disposées en zig-zag. En général pour le passage des aspérités, le fluide, qui doit échanger de la chaleur avec la paroi, suivra le chemin à résistance minimum et bien qu'en principe, ces aspérités permettent au gaz de suivre plusieurs routes, le passage s'effectuera de manière que les voies suivies forment un certain angle avec l'axe de la chemise cylindrique.
La'description du dessin annexé, donné à titre d'exem- ple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réalisée, les particularités qui ressortent tant du dessin que du texte faisant, bien entendu, partie de l'in- vention.
La fig. 1 montre, en coupe longitudinale, une forme d'exécution de l'échangeur de chaleur utilisé dans la machine à piston à air chaud conforme à l'invention.
La fig. 2 représente en coupe longitudinale une autre forme d'exécution et la fig. 3 est un croquis en perspective d'une partie de la chemise intérieure de la fig. 2. Cette chemise comporte les canaux d'amenée et les canaux d'évacua- tiôn du fluide actif de la machine vers et de la paroi.
La fig. 4 est.une coupe longitudinale d'une autre forme d'exécution de l'échangeur de chaleur utilisé dans la machine à piston à air chaud conforme à l'invention; Les figs. 5a, 5b et 5c montrent en perspective des
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parties de la tête de la machine et des deux chemises, tandis que les voies suivies par les fluides sont représentées for- tement agrandies.
La fig. 6 montre une variante de l'exécution de l'é- changeur de chaleur, tandis que la fig. 7 est le développe- ment dela face intérieure de la paroi de la tête de machine montrée sur la fig. 6.
La fig. 1 montre, en coupe transversale, la tête d'un moteur à gaz chaud. Dans la tête 1 se déplace le balayeur dont le diamètre extérieur est pratiquement égal au diamètre inté- rieur de la chemise intérieure 2, représentée en pointillés.
Pendant sa course ascendante, le balayeur refoule le fluide ren- fermé dans le moteur vers la face supérieure 3 de la tête et à travers l'enceinte annulaire 4, qui entoure la chemise 2. La face Intérieure de la partie cylindrique de la tête 1 comporte un grand nombre de nervures réparties sur trois surfaces 5, 6 et 7. En régime, le côté extérieur de la tête est chauffé par un brûleur non représenté sur le dessin ; ce fait, par suite de la présence des nervures 4, la tête, surtout la partie cy- lindrique de cette tête, ainsi que le gaz renfermé dans l'en- ceinte 4, sont chauffés. Comme les canaux compris entre les ner- vures de chacune des voies 5,6 et 7, sont assez courts, ils n'offrent que peu de résistance au passage des gaz.
D'autre part, le fluide traverse un grand nombre de canaux, de sorte que le débit de chaque canal, tout comme la vitesse du gaz, est assez faible. Il se produit donc un grand échauffement du fluide. Il ressort de la figure que la longueur c de chacun des canaux est plus petite que le tiers de la hauteur a ou du diamètre b de la tête; a et b sont les dimensions de la paroi cylindrique assurent l'échange de chaleur. La figure montre en outre que les moyens échangeurs de chaleur, à savoir les nervures prévues dans les surfaces 5,6 et 7, remplissent pratiquement toute la surface de cette paroi.
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Dans la forme d'exécution montrée sur les figs. 2 et 3, les voies branchées en parallèle, dans lesquelles le fluide est en contact intime avec la paroi, sont approximativement perpendiculaires à l'axe de la chemise cylindrique. La chemise . intérieure 10, qui, comme le montre nettement la fig. 2, se trouve à faible distance de la partie cylindrique 1 de la tête du moteur, comporte un certain nombre de canaux. 12, 13, 14 et 15, qui tous, sont parallèles à l'axe A-A de la chemise 11.
Lorsque le fluide à réchauffer traverse le réchauffeur, les canaux 12 et 14 servent à l'amenée du fluide à réchauffer, tandis que les canaux 13 et 15 servent à l'évacuation de ce fluide. Comme le montre nettement la fig. 3, les canaux 12 et 14 sont disposés,entre les canaux 13 et 15. Tous ces canaux sont ouverts du côté extérieur. De ce fait, on obtient par l'intermédiaire de l'espace compris entre le côté extérieur de la, chemise 10 et le côté intérieur de la partie cylindrique 11 de la tête du moteur, une communication entre les canaux d'amenée et les canaux d'évacuation. La circulation des gaz est représentée sur la fig. 3 pour les canaux 12 et 13; il en résulte que, dans cette forme d'exécution, les voies de gaz de longueur f sont approximativement perpendiculaires à l'axe A-A de lq chemise cylindrique.
Des figures il résulte que la. longueur! est très petite par rapport aux dimensions d et e (hauteur et diamètre) de la paroi cylindrique qui assure l'échange de chaleur. En outre, pratiquement toute la surfa- ce de la paroi participe à l'échange de chaleur. De cette manière une très grande surface, en contact thermique avec le fluide à réchauffer, n'est en contact avec le gaz à réchauffer que sur des voies très courtes nonobstant le petit diamètre de l'échangeur. Comme le montrent les figures, les canaux 12,
13, 14 et 15 sont légèrement conique$,ceci pour tenir compte de la quantité de gaz qui traverse les diverses sections des ..canaux.
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L'échangeur de chaleur montré sur les figs. 4 et 5 est, en principe, identique à celui montré sur les figs. 2 et 3, mais la chemise intérieure 16 y est plus simple. Les canaux d'amenée et d'évacuation 17, 18, 19 et 20 peuvent se réaliser plus facilement que dans l'exécution montrée sur les figs.2 et 3. En effet, dans cette forme d'exécution, on applique di- rectement autour de la chemise 16 une chemise 21 qui comporte des rainures rectangula.ires oblongues 22, dont le pas corres- pond à celui des canaux ménagés dans la chemise 16. Les figs.
5b et 5c montrent nettement la constitution de ces deux che- mises. Pour augmenter la clarté du dessin, sur les figs.5b et 5c, les chemises 21 et 16 sont représentées trop écartées.
Cette figure montre aussi le guidage du fluide à réchauffer à travers ces chemises. Il suffit de modifier la largeur des épaisseurs 23 comprises entre les rainures 22 pour modifier la longueur des chemins parcourus par les gaz. La fig. 5a montre que non seulement la face extérieure de la partie cylindrique 24 de la tête est garnie de nervures 25, mais que la face inté- rieure comporte des nervures circulaires 26, qui améliorent encore le contact entre le fluide à réchauffer et la paroi 24.
Les figs. 6 et 7 montrent une autre forme d'exécution d'un réchauffeur de moteur à gaz chaud, réalisé conformément à l'invention. Dans cette forme d'exécution, un grand nombre d'as- pérités en forme de broches se trouvent, dans une surface en zig-zag 31, sur la face intérieure de la partie cylindrique 30 de la tête d'un moteur à gaz chaud. La fig. 7 montre le dévelop- pement de la face intérieure de la partie de la paroi munie de ces aspérités. Dans cette forme d'exécution, tout comme dans celle montrée. sur la fig. 1, la tête comporte une chemise cy- lindrique intérieure qui n'a pas été représentée, pour facili- ter la compréhension du dessin.
Pendant la course ascendante du balayeur, non représenté, par suite de la présence de cette chemise intérieure, les gaz à chauffer circulent, dans le sens
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des flèches, dans l'espace compris entre la chemise intérieure et la partie cylindrique chauffée de la tête. Entre les aspé- rités en forme de broches existent évidemment un grand nombre de voies de directions divergentes, mais, en général, les gaz choisissent la voie à résistance minimum, donc sur la fig. 6 approximativement les chemins indiqués par des flèches. Dans cette forme d'exécution, les canaux d'amenée 32 se trouvent de nouveau entre les canaux d'évacuation 33.
Cette forme d'exécution offre l'avantage que dans un diamètre déterminé 1 on peut loger une grande surface échangeuse'de chaleur, la longueur des chemins parcourus par les gaz étant inférieure à un tiers de l'une des dimensions 1 et k (diamètre et hauteur) de la paroi échangeuse de chaleur.