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PERFECTIONNEMENTS 'AUX;MOTEURS ETGPOMPES THERMIQUES.
La présente invention est relative aux machines destinées à con- vertir de la chaleur en travail ou à extraire ou transformer de la chaleur par accouplissement d'un travail.
Dans le cycle de Stirling, pour convertir de la chaleur en tra- vail, le gaz moteur est soumis,théoriquement, au processus cyclique suivant : l.- Compression isothermique à la température cyclique inférieu- re..
2.- Chauffage à volume constant jusqu'à la température de cycle supérieure.
3.- Détente isothermique à la température cyclique supérieure, et
4.- Refroidissement à volume constant à la température cyclique inf érieure.
Ce cycle, si les temps de chauffage et de refroidissement peu- vent être effectués d'une manière réversible, a le même rendement thermique que le cycle du Carnot. Dans les moteurs pratiquement utilisés pour la mise en oeuvre de ce cycle, les temps de chauffage et de refroidissement sont réa- lisés en transportant une certaine quantité de gaz alternativement d'un espace contenant un refroidisseur à un espace contenant un réchauffeur, et inverse- ment. Le chauffage et le refroidissement sont réalisés d'une manière aussi réversible que possible en interposant un régénérateur entre- les deux espaces.
Le rendement thermique cyclique d'un tel moteur est limité par le rendement du régénérateur et par la différence avec les isothermes réels des étapes de compression et de détente qui existe nécessairement si ces étapes'sont réali- sées à une vitesse finie. On peut cependant démontrer que, pour un moteur à
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vitesse élevée avec un rendement du régénérateur de 95 %, qui peut être pra- tiquement obtenu, et avec un taux de compression de l'ordre de 2 ou'3 : 1, la réduction du rendement thermique cyclique comparée au cycle théorique, ne dépasse pas environ 10 %.
En forçant le fluide moteur à suivre le cycle de Stirlihg dans le sens opposé à celui qui a été indiqué ci-dessus, il est possible de réali- ser une machine qui fonctionne comme pompe thermique ou réfrigérateur, c'est- à-dire qui, par absorption de travail mécanique, provoque un transport de chaleur d'un corps à un autre.
Dans les moteurs ou pompes thermiques connus fonctionnant sub- stantiellement suivant le cycle de Stirling, on emploie un type quelconque d'échangeur de température de récupération, pour provoquer l'absorption de chaleur par le fluide moteur et aussi pour dissiper la chaleur dudit fluide, et la partie intérieure de ces échangeurs de température de récupération est en communication ouverte avec le cylindre de travail pendant tout le cycle.
La présence de ces échangeurs de chaleur de récupération nécessite la présen- ce d'un certain espace mort en communication avec le cylindre de travail et, par suite, restreint la limite supérieure du taux de compression de la machi- ne. Ce taux de compression limité a pour conséquence de limiter la pression effective moyenne et, par suite, le rendement mécanique de la machine, à des valeurs inférieures à celles qui sont théoriquement désirables.
Dans le fonctionnement des moteurs thermiques connus du type dé- crit, l'échangeur de température de récupération pour échauffer le fluide mo- teur opère par un échange de chaleur de récupération avec des produits chauds de combustion. Comme l'espace chaud doit être maintenu à la température supé- rieure du cycle, il s'en suit que, après que les produits de la combustion ont été refroidis à une température un peu au-dessus de la température supé- rieure du cycle, ils doivent être rejetés. En conséquence, une fraction seu- lement, pouvant ne pas dépasser 50 % de la valeur calorifique du combustible est disponible pour le cycle moteur, si bien que le rendement de la conver- sion de cette valeur calorifique en travail est également une fraction seule- ment du rendement thermique du cycle lui-même.
Un autre inconvénient des moteurs thermiques connus fonctionnant substantiellement suivant le cycle de Stirling réside en ce que l'échangeur de chaleur de récupération utilisé pour chauffer le fluide moteur est soumis à des efforts sévères mécaniques et thermiques car il doit être capable de résister à la température maxima du foyer de chauffage, laquelle est considé- rablement supérieure à la température de fonctionnement maxima du cycle, et est également soumis à la différence de pression maxima entre le gaz de chauf- fage et le fluide moteur.
Du fait de l'impossibilité de trouver des matériaux de construction convenables pour résister à des pressions de 50 atmosphères, par exemple, à 1.200 C., les moteurs connus ont été utilisés à des températu- res et pressions inférieures à celles qui sont théoriquement désirables.
Un des objets de l'invention consiste en une machine fonction- nant substantiellement suivant le cycle de Stirling, avec atténuation pu éli- mination d'un ou plusieurs des inconvénients ci-dessus.
Avant de décrire en détail la présente invention, il convient de définir certains des termes employés. Ce sont les suivants : "Récupérateur" ou "échangeur de chaleur de récupération" désigne un échangeur thermique dans lequel des fluides à des températures différentes s'écoulent le long de, ou viennent en contact avec les faces opposées d'une paroi ou membrane à travers laquelle la chaleur passe du fluide à température la plus haute au fluide à température la plus basse.
"Régénérateur" ou "échangeur de chaleur de régénération" dési- gne un échangeur thermique dans lequel une masse de matière absorbe de la chaleur de ou donne de la chaleur à un corps fluide et ensuite restitue de la chaleur à ou absorbe de la chaleur de ce meme corps fluide ou un autre.
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"Machine" signifie, soit un moteur thermique, d'une part, soit, d'autre part, une pompe thermique ou réfrigérateur. - - -- .
"Moteur thermique" signifie une machine qui absorbe de la cha- leur à une température supérieure, convertit une partie de cette chaleur en travail mécanique et rejette le surplus à une température inférieure.
"Pompe thermique" ou "réfrigérateur" désigne une machine qui absorbe du travail mécanique et effectue la transmission de la chaleur d'un corps à un autre...-
Suivant la présente invention, une machine capable de fonction- ner substantiellement suivant le cycle de Stirling, comme 'moteur thermique ou comme pompe thermique, est disposé de telle façon que son taux de compres- sion est pratiquement indépendant, soit du dispositif ou du procédé employé pour provoquer l'arrivée de chaleur au fluide moteur, soit du dispositif ou du procédé employé pour enlever la chaleur du fluide moteur. De préférence, ce taux est indépendant des deux types de dispositifs ou de procédés..
Une machine suivant l'invention susceptible de fonctionner sub- stantiellement suivant le cycle de Stirling comme moteur ou pompe thermique peut être considérée également comme caractérisée par l'un des deux éléments suivantsou par les deux; (1) De la chaleur est fournie au cycle par l'admission de gaz chauds, ou de fluides pouvant brûler en dormant des gaz chauds, dans le cy- lindre de travail, à partir d'un espace dans lequel la pression, au moment de l'admission, est plus élevée que celle réalisée dans le cylindre moteur, à travers une soupape ou un système de soupapes, ou par écoulement continu à travers un orifice rétréci, cette soupape ou ce système de soupapes empe- chant, au moins pour la plus grande part,
toute communication entre le cylin- dre de travail et l'espace d'où les gaz chauds ou les.fluides sont admis dans le cylindre moteur à tout autre instant, et (2) De la chaleur est enlevée du cycle en extrayant du cylindre moteur une portion des gaz qu'il contient et en la remplaçant par des gaz plus froide, cette extraction et ce remplacement étant contrôlés par une ou plu- sieurs soupapes qui suppriment, au moins pour la plus grande partie, la com- munication, pendant la durée des pressions supérieures du cycle, entre le cy- lindre du travail, et l'espace vers lequel le gaz est retiré et duquel du gaz plus froid est fourni.
Sous un autre aspect, la présente invention peut être considérée comme réalisant une machine susceptible de fonctionner suivant le cycle de Stirling comme moteur ou pompe thermique, dans laquelle du gaz du des fluides bru"lant en donnant des gaz, à une température supérieure à la température du gaz moteur sur le côté d'absorption de la chaleur du régénérateur, est admis dans le cycle du côté de l'absorption de chaleur du régénérateur et s'écoule, au moins partiellement, unidirectionnellement à travers le générateur vers le côtéde la perte de chaleur de celui-ci, d'ou le gaz à la température de la perte de chaleur du gaz moteur est retiré du cycle tandis qu'un gaz à une tem- pérature inférieure à la température de perte de chaleur du gaz. moteur est admis dans le cycle du côté de la perte de chaleur du régénérateur.
Dans un mode de réalisation de la machine suivant l'invention, l'appareil pour permettre à la chaleur de se rendre vers ou de s'écarter du gaz moteur consiste en un échangeur de température de récupération qui est relié au cylindre moteur par des soupapes, à travers lesquelles se produit un courant unidirectionnel du cylindre moteur à travers l'échangeurde tempé- rature et en retour vers le cylindre moteur, et qui empêchent que la pression maxima dans,le cylindre moteur ne se propage dans 1'échangeur thermique. Ce- lui-ci fournit du gaz chaud ou froid, suivant les cas, au cylindre moteur et n'a pratiquement aucune communication avec le cylindre moteur aux pressions supérieures du cycle. Le volume interne de l'échangeur thermique est, ainsi, pratiquement sans effet sur le taux de compression.
Cet échangeur de chaleur de récupération est satisfaisant pour les pompes thermiques, mais, lorsqu'on
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l'utilise pour l'absorption de chaleur dans un moteur thermique, il présen- te toujours l'inconvénient que du gaz de chauffage est rejeté à une tempéra- ture supérieure à la température maxima du gaz moteur, aussi préfère-t-on, dans le cas d'un moteur thermique, chauffer le gaz moteur par I'admission di- recte de gaz chauds, ou de fluides devant brûler pour donner des gaz'chauds, dans le cylindre de travail.
De cette façon, l'échangeur thermique pour chauf- fer le gaz moteur peut être supprimé et ainsi disparaissent les inconvénients qu'il comporte. @ @
Dans un mode d'exécution préféré du moteur thermique dont'il @ vient d'être parlé, une combustion intermittente ou continue peut se produire à l'intérieur du cylindre de travail.
Cela est particulièrement intéressant lorsqu'on peut utiliser un combustible liquide et un agent d'oxydation liqui- de, car on perd peu de travail à amener des liquides dans le cylindre de tra- vail contre la pression maxima qui y règne ou bien des produits de combustion chauds provenant d'un brûleur extérieur peuvent être amenés au cylindre de travail continuellement ou à intervalles convenables à travers des orifices ' de valve contrôlés. Egalement, on peut employer une combinaison de combustion interne et de combustion externe.
Dans les moteurs thermiques, on préfère généralement prélever- de la chaleur du gaz moteur à l'aide d'un échangeur thermique et de soupapes, comme on l'a dit ci-dessuscar cette disposition permetà la pression infé- rieure du cycle d'avoir toute valeur désirée au-dessus de la pression atmos- phérique. Toutefois, dans le cas où la pression la plus basse du cycle est la pression atmosphérique, on peut enlever de la chaleur du gaz moteur en laissant échapper une partie du gaz moteur dans l'atmosphère et en le rempla- gant par de l'air de balayage à la température atmosphérique.. De cette façon, on peut se dispenser d'un échangeur thermique pour refroidir le-gaz moteur.
Différents modes d'exécution de l'invention sont représentés à titre d'exemple aux dessins annexés dans lesquels :
La figure 1 est une vue en coupe élévation suivant un plan per- pendiculaire à l'axe de rotation de l'arbre manivelle d'un moteur thermique monocylindrique conforme à l'invention;
La figure 2 est une coupe élévation suivant un plan parallèle à l'axe de rotation de l'arbre manivelle du moteur représenté en figure 1,
La figure 3 représente schématiquement une disposition convenant pour un moteur thermique à quatre cylindres conforme à l'invention;
La figure 4 est une vue schématique d'un réfrigérateur canfor- me à l'invention;
Et la figure 5 montre une variante du réfrigérateur de la figu- re 4.
Si l'on se reporte à la figure 1, un piston 1 relié à l'arbre manivelle 6 coulisse étroitement dans un manchon 2 qui porte à sa partie su- périeure un régénérateur 3, formé par une masse de fil métallique inoxydable, pliée ou bobinée de manière à laisser un passage relativement facile aux gaz qui la traversent, et à permettre un échange de chaleur avec ces gaz; de tels régénérateurs ont déjà été proposés. Le manchon 2, à son tour, va et vient dans un cylindre 4 et a un jeu radial par rapport à une tête de.cylindre 5.
Cette tête de cylindre 5 a été représentée avec un,arrangement de deux garni- tures séparées 5a, 5b, destinées à assurer l'isolement. Idéalement, le cylin- dre tout entier devrait être en matière isolante, mais, en pratique, un com- promis est nécessaire, car il faut que le cylindre conserve une résistance mécanique suffisante pour le rôle qu'il a à jouer; la tête réalisée de la ma- nière qui vient d'être indiquée est suffisante pour les besoins de la prati- que.
Une soupape 7, chargée par un ressort 7a, est ménagée dans la tête de cylindre 5 pour permettre l'admission de gaz chauds provenant d'une chambre de combustion 10 qui regoit du combustible par une canalisation 18 et de l'air par un orifice 19.
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La différence de phase nécessaire entre le mouvement du piston
1 et le régénérateur 3 est obtenue en commandant les deux par l'arbre manivel- le 6 qui a deux manetons à 90 , le manchon 2 étant relié à l'un d'eux tandis que le piston 1 est relié à l'autre. La rotation du manchon 2 dans le cylin- dre 4 est empêchée par le téton 2a situé sur le côté du manchon le plus loin de sa bielle de liaison et qui se déplace d'un mouvement alternatif dans une rainure 4a ménagée dans la paroi du cylindre 4 (figure 2).
Le manchon 2 comporte deux lumières 8 et 9 qui peuvent venir en face de deux lumières 8a et 9a du cylindre 4. Parmi celles-ci, les lumiè- res 8 et 8a sont les lumières de balayage tandis que les lumières 9 et 9a sont les lumières d'échappement et l'on peut voir que leur fonctionnement est con- trôlé à la fois par le manchon 2 et par le piston 1. La lumière 9a communique, par le tuyau 14, la soufflerie 12, l'échangeur thermique refroidi 11 et le tuyau 13, avec la lumière 8a.
Dans la position représentée en figure 1, le manchon 2 a amené les lumières 8 et 9 en communication avec les lumières 8a et 9a respectivement, mais elles demeurent fermées par le piston 1 qui est à l'extrémité supérieure de sa course. Une rotation de 180 de l'arbre mani- velle 6 amène à nouveau ces lumières 8, 9 et 8a, 9a, en coïncidence, le pis- ton 1 étant alors à son point mort inférieur. Le gaz de balayage refroidi ve- nant de l'échangeur 11 est alors libre de pénétrer dans le cylindre par les lumières 8 et 8a, sous Inaction de la soufflerie 12 et pousse les gaz chauds hors des lumières d'échappement 9 et 9a.
Les gaz échappés à la température la plus basse du cycle, ou au voisinage de' celle-ci sont repris par la souf- flerie 12 et traversent l'échangeur de chaleur 11 d'où ils retournent au cy- lindre sous forme de gaz de balayage refroidis. Le refroidissement peut être augmenté en disposant des ailettes de refroidissement 15 sur la partie infé- rieure du cylindre 4.
Les lumières 8, 8a, 9 et 9a, avec le piston 1 et le manchon 2, forment des soupapes à travers lesquelles un courant unidirectionnel peut se former à travers l'échangeur. De plus, ces soupapes ne sont ouvertes que pen- dant une courte période, comprenant le moment où le piston est à son point mort bas; pendant la majeure partie de la.compression et des courses motrices du piston, elles sont fermées de telle sorte que le volume de l'appareil en- tre les lumières 9a et 8a n'a aucun effet sur le taux de compression.
Au point mort inférieur, ou au voisinage de celui,-ci, la valve $'admission 7, qui est maintenant soumise à la pression inférieure du cycle, s'ouvre sous l'action des gaz chauds de la chambre de combustion 10 agissant contre 1'action du ressort 7a et ces gaz sont admis à l'intérieur du cylindre 1, où ils se mélangent avec le gaz moteur, qui est généralement de l'air, et passent par le régénérateur 3 avant d'être balayés vers l'échappement. L'ac- tion est aidée par le mouvement du régénérateur 3 qui se fait vers la tête du cylindre pendant toute la période d'ouverture des lumières 8, 8a, 9,9a.
Comme il existe dans le régénérateur 3 un gradient thermique de la tempéra- ture supérieure à la température inférieure du cycle la chaleur fournie par le courant de gaz chauds est largement accumulée dans le régénérateur sous forme d'une élévation de température de sa matrice. En même temps, les gaz au-dessous du régénérateur 3 sont effectivement refroidis à la température des gaz de balayage par simple remplacement et par Inaction des ailettes 15.
Comme le gradient thermique dans le régénérateur 3, résultant des mouvements alternatifs des gaz à travers lui, est compris entre ces limites, il est évi- dent que le gaz chaud fourni par la soupape 7 est refroidi seulement un peu au-dessus de la température inférieure du cycle avant rejet à travers les lu- mières d'échappement 9 et 9a.
La soupape 7 constitue un clapet qui empêche la communication entre le cylindre de travail et l'espace d'où le gaz chaud est admis au cylin- dre de travailo 11 convient de noter que le piston de travail vient seulement en contact avec le gaz moteur à la température inférieure du cycle, qui peut être d'environ 80 C, si bien qu'un grand nombre de problèmes d'usure du mo- teur et de lubrification, qui se posent dans les moteurs à combustion inter- ne connus,sont supprimés ici.
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Par suite de l'échappement du gaz à une température voisine de la température inférieure du cycle, la quantité maxima d'énergie thermi- que possible est disponible pour le cycle. Finalement, l'absence d'échangeur de chaleur de récupération pour chauffer le fluide moteur supprime toutes les difficultés inhérentes au choix des matériaux pour la construction de ces é- changeurs.
Le circuit fermé constitué par les tuyaux 13 et 14, la souffle- rie 12 et l'échangeur de chaleur refroidi 11 permet de fixer la pression in- férieure du cycle à toute valeur supérieure à la pression atmosphérique,ce qui facilite l'opération à une pression moyenne effective bien supérieure à ce qui serait possible si la pression inférieure du cycle était la pression atmosphérique. Une vanne 20 sur la conduite 14 permet de soustraire du gaz du cycle en compensation du gaz chaud admis à la tête du cylindre. Lors du démarrage,après une période d'arrêt, la vanne 20 sera fermée pour que le gaz chaud admis à travers la soupape 7 crée la pression désirée dans le cycle, et compense toute fuite qui aurait pu se produire.
En réglant la vanne 20 par des moyens-extérieurs, on contrôle la pression moyenne effective et, par sui- te, la puissance du moteur.
La figure 3 représente schématiquement une disposition convena- ble pour un moteur à quatre cylindres, les organes de même fonction portant les mêmes références qu'en figure 1. Le fond de chaque cylindre communique avec le haut du cylindre voisin sur sa droite, comme on le voit en figure 3.
Chaque piston:1 fonctionne comme piston moteur et comme organe d'expulsion ; à cet effet, il est pourvu d'une tête élargie la. Chacun des quatre pistons successifs est décalé en avant de 90 par rapport au précédent en allant de droite à gauche de la figure 3 (voir les schémas de position angulaire des manetons) et le gaz moteur est déplacé, à travers le régénérateur 3 entourant la partie supérieure de chaque cylindre 1, entre les cylindres adjacents. La différence de phase nécessaire peut être aisément réalisée en montant les quatre cylindres en un groupe et en commandant les pistons par un plateau à rainures convenable ou par une manivelle en Z; un moteur à quatre cylindres, radial avec manivelle à un seul maneton convient parfois.
Une autre construc- tion consiste à disposer les cylindres en forme de V à 90 avec deux cylindres de chaque côté couplés sur un arbre manivelle à deux manetons, les manivelles étant calées à 1800. Dans un tel moteur à quatre cylindres,chaque cylindre est ouvert pour l'admission de gaz chauds pour chauffer le régénérateur 3, pendant environ 90 de la révolution de l'arbre manivelle, une consommation continue des produits de combustion étant obtenue avec une seule chambre de combustion, ce qui réduit matériellement les problèmes de fonctionnement du brûleur. Le gaz, dans chaque cylindre, s'échappe à travers la lumière contrô- lée 9a du piston vers le tuyau collecteur 14 et de là à l'échangeur de chaleur refroidi 11.
De cet échangeur, il est repris par la soufflerie 12 et conduit à un tuyau collecteur 13 d'où il retourne aux cylindres au voisinage du point mort supérieur comme gaz de balayage à travers les lumières contrôlées 8a du piston. Quand les lumières 8a et 9a sont ouvertes dans l'un des cylindres, la soupape 7 est ouverte dans. le cylindre immédiatement adjacent sur la droi- te (comme représenté en figure 3) et le gaz chaud passe à travers le régéné- rateur intermédiaire pour y maintenir le gradient thermique.
Le moteur représenté en figure 4 fonctionne aussi sans échan- geur de chaleur de récupération pour chauffer le gaz moteur et les avantages qui en résultent, déjà signalés pour les figures 1 et 2, s'appliquent aussi au cas du moteur de la figure 3. Une petite quantité d'espace mort est intro- duite par les conduits reliant les cylindres voisins, mais celle-ci peut être très faible et représente un inconvénient très minime en comparaison des avan- tages considérables résultant d'une construction à quatre cylindres.
Les régénérateurs utilisés dans les moteurs thermiques des fi- gures 1 à 3 sont de préférence constitués par un fil en alliage fer-chrome- nickel, tel que celui employé pour constituer les éléments chauffants dans les appareils de chauffage électrique. Dans un moteur tel que celui de la figure 3 avec un alésage de 7,62 cm et une course de 10,16 cm, le régénéra-
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teur pour chaque cylindre est une bobine serrée lâche d'un tel fil dé 0,0025 à 0,0075 cm de diamètre, la section transversale de la bobine étant d'envi- ron 6 cm2. Il est aussi possible d'employer un régénérateur en céramique,
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ainsi qu'on l'a déjà proposé dans un moteur thermique à; cycle de- Stirling.
Les pressions relatives dans un moteur thermique tel que celui représenté en figure 3 sont résumées dans le tableau suivant :
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Cylindre¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ Pression fler par la 2 par la 3ème par 4-emeparla gauche gauche la gauche gauche #######.###=-#<#-##########... e ###- au-dessus du piston 1,8 arm. 1,0 ato. : 1934 atm. 3,35 atm. au-dessous du piston 1,0 ato. 1,34 arm. 3,38 atm. 1,8 atm.
##,#, ,.#,,,,..,., e -## ##.#¯¯¯¯#
La pression inférieure du cycle sera généralement supérieure à une atmosphère et peut être comprise par exemple entre 4 et 10 atmosphè- ' res. Les pressions relatives sont celles indiquées ci-dessus quelle que soit la pression inférieure du cycle de telle sorte que si elle est de 5 atm., les pressions à travers le système sont obtenues en multipliant par 5 les chif- fres du tableau. Ces pressions impliquent une température supérieure du cy-
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cle de 1400 K, une température inférieure du cycle de 400 K et l'admission de gaz chaud à 2100 K (températures absolues ou Kelvin).
Il doit être compris que, dans un moteur thermique tel que ce- lui des figures 1, 2 et 3, le gaz chaud et le gaz moteur sont libres de se mélanger, si bien que la distinction entre eux est arbitraire et n'est donnée que pour aider à la description de l'invention. Le gaz chaud peut être four- ni à tout moment pendant le cycle pourvu que sa pression soit ajustée sur celle du gaz moteur et que des dispositions soient prises pour éviter que le volume de gaz ajouté n'interfère avec l'accomplissement convenable du cycle.
Ainsi il convient normalement d'introduire le gaz chaud quand la pression de l'agent moteur est faible, c'est-à-dire pendant la compression à la tempéra- ture inférieure du cycle. La pression ne varie pas d'une façon importante à cette période pendant un déplacement angulaire de 90 environ de la manivel- le et l'agent de chauffage peut être introduit pendant ces 90 . Ou bien lors- que le gaz chaud est pour une raison quelconque à haute pression, par exem- ple lorsqu'il est constitué par les produits de combustion d'un combustible et d'un agent oxydant, il peut être introduit pendant une partie du cycle pen- dant laquelle règnent des pressions plus élevées.
Si le volume du gaz chaud introduit par cycle est faible rela- tivement à celui du gaz moteur, par exemple lorsque le gaz consiste en pro- duits de combustion de combustible et oxygène, il n'est pas nécessaire d'é- tablir une corrélation entre les périodes d'introduction du gaz chaud et d'enlèvement du gaz en excès, car l'interférence avec le fonctionnement du cycle due à une augmentation momentanée de gaz est, en pareil cas, négligea- ble. Ainsi le gaz chaud peut s'écouler doucement dans le cylindre moteur sur le coté chaud du régénérateur d'une manière continue pendant toute la durée du cycle, le gaz en excès étant enlevé au moment le plus économique qui est généralement lorsque la pression du cycle est faible.
Comme l'air fourni à la chambre de combustion 10 doit être pom- pé, il y a évidemment intérêt à la réduire au minimum possible. Par suite, même si la température maxima du coté chaud du régénérateur 3 est limitée à
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1000-1200 C par les matériaux de construction, il est avantageux de brûler le combustible et l'air dans la proportion optima qui donnera des produits de combustion à une température de 1800-1900 C et de délivrer une quantité con- venable de ces produits de combustion au moteur pour chauffer le coté chaud--' du régénérateur à 1000-1200 C, au lieu de les diluer avec un excès d'air pour réduire la température avant l'admission dans le cylindre de travail.
Autre- ment dit, le gaz chaud est dilué et refroidi à la température requise en uti- lisant comme diluant le gaz moteur au lieu d'un gaz quelconque de source'ex- terne, dont le transfert au cylindre absorberait de l'énergie. Un mélange stoichiométrique de combustible gazeux ou liquide volatil et d'air pourrait être comprimé et envoyé dans la chambre de combustion 10 de la figure 1 puis brûlé, en utilisant un stabilisateur de flamme ou une chicane au-dessus d'u- ne valeur limitée du courant de combustible.
Une telle -méthode est limitée à l'ordre de grandeur de la quantité de combustible qui peut être consumée et le risque de stabilisation de la flamme en toute place autre que la chica- ne choisie doit être considéré. - -
L'injection de la- totalité de combustible dans la chambre-de combustion 10 signifie que le gaz à traiter par la soupape d'admission doit être de l'ordre de 1900 C, si bien qu'un refroidissement extensif et les per- tes de chaleur qui en découlent seront appréciables : la méthode est cepen- dant possible dans certains cas.
D'autre part le système est susceptible d'e- tre appliqué avec un refroidissement convenable de la soupape à un moteur polycylindrique tel que celui représenté en figure 3, ayant une seule cham- bre de combustion qui alimente tous les cylindres et susceptible d'utiliser une large gamme de combustibles, puisque la combustion serait continue.
Une autre variante consiste à injecter la plus grands partie du combustible au point B ou C (figure 1) en conservant la chambre de eau- bustion en A pour fournir une quantité relativement faible de gaz chaud à une température telle qu'elle assure une combustion rapide et complète de ce combustible. Si le combustible est injecté en B, cette alimentation peut être continue, car il est évident que le mélange avec du gaz chaud provenant de la chambre de combustion 10 et la combustion du combustible ne se produiront que lorsque la soupape 7 sera ouverte. Une seule chambre de combustion est nécessaire pour un moteur polycylindrique et une température de gaz à la sou- pape d'admission 7 d'environ 700 C est suffisante, ce qui réduit grandement le refroidissement nécessaire pour la soupape d'admission.
Avec cette injec- tion de combustible en B on obtient un refroidissement considérable de la soupape par le combustible.
Si une partie du combustible est injectée dans le cylindre en C, il est évident qu'une injection intermittente est nécessaire, pour coinci- der avec le fonctionnement de la soupape 7. Il faut également créer une tur- bulence convenable dans le cylindre 1, afin d'assurer le mélange du combus- tible et de l'air en vue d'une combustion complète. Etant donné le temps plus court dont on dispose pour ces opérations, une température de gaz à la soupa.- pe d'admission de l'ordre de 850 est probablement nécessaire.
Enfin la totalité du combustible peut être injectée en B ou C, aucune chambre de combustion n'étant plus employée,, Dans ce cas la combustion peut être continue ou entièrement intermittente'dans le cylindre et, dans ce dernier cas, des dispositifs d'ignition doivent être prévus dans le cylindre pour assurer sa persistance. Dans les cas où il existe une chambre de combus- tion externe dans laquelle tout ou partie du combustible est brûlé il est clair qu'il suffit d'une ignition à ce point seulement, et cela pour permettre le démarrage.
La perte d'énergie par les gaz retirés du cycle peut être par- tiellement rattrapée en faisant détendre les gaz d'échappement dans un moteur auxiliaire dont la sortie peut être couplée avec l'arbre manivelle du moteur principal ou qui peut être utilisé pour commander un compresseur associé avec le système d'alimentation du combustible, c'est-à-dire un compresseur desti- né à l'alimentation en combustible ou en agent permettant la combustion ou l'un et l'autre de ces agents.
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Une combinaison qui permet de récupérer l'énergie du gaz échap- pé et en même temps procure un moyen de contrôle commode est obtenue en ame- nant le gaz échappé à entraîner un moteur auxiliaire à volume constant c'est- à-dire un moteur admettant un volume de gaz proportionnel à sa vitesse de'ro- tation, ce moteur étant couplé avec l'arbre manivelle du moteur principal.'
Un compresseur associé avec le système d'alimentation du combustible peut e- tre commandé soit indépendamment, soit par le moteur principal, suivant les caractéristiques de puissance désirées. Dans l'un et l'autre casle contrôle de la puissance du moteur peut être réalisé par des moyens tels qu'une sou- ' pape d'étranglement pour contrôler la pression de refoulement du compresseur.
Une augmentation de cette pression ou bien augmentera la vitesse du moteur contre une charge constante,la pression moyenne effective demeurant constan- te, ou bien maintiendra constante la vitesse du moteur contre une augmenta- tion de charge, la pression moyenne effective croissant alors avec la charge.
Si le compresseur est commandé indépendamment du moteur principal, on peut, à faibles vitesses, obtenir un couple élevé, ce qui rend la combinaison avan- tageuse pour la propulsion des véhicules.
L'alimentation en combustible peut être contrôlée d'une manière connue par elle-même;, en fonction à la fois de la vitesse du moteur et du ré- glage de l'organe de commande de la pression de refoulement du compresseur, ce'qui la rend proportionnelle à la fois à cette vitesse et au courant massi- que de l'agent permettant la combustion délivré par le compresseur.
En figure 4 est représenté un réfrigérateur qui fonctionne en absorbant de la chaleur dans un éohangeur thermique 36 et en rejetant de la chaleur d'un échangeur thermique 35. Il consiste en deux pistons 31 et 32 opérant dans un cylindre commun, reliés chacun à un arbre-manivelle.,,tournant d'une manière telle que le piston de gauche précède le piston de droite de 90 d'angle de manivelle. Les arbres-manivelles sont convenablement accouplés pour tourner à la même vitesse. Un régénérateur 33 est disposé entre les deux pistons 31 et 32.
L'échangeur de chaleur de récupération 36 est placé dans l'enceinte à refroidir et est en communication avec l'espace adjacent à la tête du piston 32 par deux clapets de retenue 40 et 41 qui fonctionnent de manière à admettre le passage des gaz seulement dans la direction indiquée par les flèches sur la figure.
En plus il existe une soupape d'étranglement 42 très voisine du clapet 41 qui est, lui, aussi rapproché que possible du cylindre principale
L'échangeur de chaleur 35 est relié à l'espace adjacent à la tête du piston 31 par une disposition semblable de clapets de retenue 37 et 38 et de soupape d'étranglement 39. ,
En fonctionnement, le gaz moteur est comprimé dans la partie située à droite du régénérateur et détendu dans la partie située à gauche de celui-ci où il refroidit eten circulantà travers l'échangeur thermique 36, absorbe de la chaleur de l'enceinte à refroidir.
Le fonctionnement des échangeurs thermiques et des clapets et soupapes qui y sont associés est le suivant : pendant la période de haute pression de chaque course du cycle une petite quantité de gaz entre dans cha- que échangeur thermique et remplit l'espace compris entre le clapet de rete- nue d'admission à l'échangeur et la soupape d'étranglement. Par suite de la rapidité des changements de pression, toutefois, la pression tombe presque immédiatement au-dessous de cette valeur et le clapet est fermé par le gaz compris entre les soupapes d'admission et d'étranglement, maintenant à une pression supérieure à celle du cylindre.
Cette période d'admission du gaz dans l'échangeur est si brève que seule une proportion relativement faible du gaz qui a traversé la soupape d'admission traverse la soupape d'étrangle- ment pendant que la soupape d'admission est ouverte et que,également, pen- dant cette période, il n'y a pas d'augmentation substantielle de pression dans la masse principale de gaz à l'intérieur de l'échangeur thermique. Pen- dant le reste du cycle, la pression à l'intérieur de l'échangeur est augmen-
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tée par le passage de gaz à travers la soupape d'étranglement, ce qui aug- mente légèrement la pression générale dans l'échangeur, Quand on fait partir le moteur,ce mode de fonctionnement élèvera bientôt la pression dans l'é- changeur jusqu'à une valeur moyenne légèrement supérieure à la pression in- férieure du cycle.
Par suite,lorsque la pression du cycle décroit jusqu'à une valeur inférieure à la pression dans l'échangeur, l'autre clapet de re- tenue s'ouvre et laisse entrer dans le cylindre de travail du gaz qui a été chauffé ou refroidi suivant la fonction de l'échangeur considéré.
La pression dans les échangeurs thermiques varie ainsi cycli- quement entre la pression inférieure du cycle et une valeur légèrement supé- rieure à cette pression inférieure du cycle, la valeur de cette variation é- tant contrôlée par la quantité dont est ouverte la soupape d'étranglement.
La circulation du gaz à l'intérieur de l'échangeur en résulte, mais les cla- pets de retenue et la soupape d'étranglement dans chaque cas empêchant les échangeurs thermiques d'être soumis à la pleine pression de travail et empe- chant aussi le volume des échangeurs thermiques d'affecter substantiellement le taux de compression.
Bien qu'elles aient été décrites comme des clapets de retenue, les soupapes 37, 38, 40 et 41 pourraient aussi être des soupapes commandées par un arbre à cames d'une manière bien connue dans l'industrie des moteurs.
Il en est de même des soupapes d'étranglement 39 et 42.
La figure 5 montre un réfrigérateur à deux étages avec cylin- dres supérieur et cylindre inférieur, qui est, en principe, une simple dupli- cation du réfrigérateur de la figure 4. Les échangeurs thermiques 35 et 36 et leurs clapets et soupapes associés opèrent de la même façon qu'en figure 4 et par suite ont regu les mêmes numéros de référence. Le décalage angulaire de manivelle entre les pistons 31 et 32 du cylindre supérieur est le même qu'en figure 4, et le décalage angulaire de manivelle entre les pistons 3la et 32a du cylindre inférieur est le même que dans le cylindre supérieur.
Le transfert de fluide moteur et aussi de chaleur est effectué à l'aide de deux canalisations 50 et 51 qui relient l'espace adjacent à la tête du piston 31 à l'espace adjacent à la tête du piston 32a. La canalisa- tion 50 est munie de deux clapets de retenue 52 et 53 qui agissent de manière à ne permettre le passage du gaz que dans le sens indiqué par les flèches.
Le clapet 52 est placé aussi près que possible de l'espace adjacent à la tê- te du piston 31 et le clapet 53, aussi près que possible de l'espace- adjacent à la tête de piston 32a.
Les arbres-manivelles reliés dans chaque cylindre tournent à la même vitesse.
Le gaz moteur chaud qui est comprimé par le piston 31 sur le côté droit du régénérateur 33 passe dans l'espace adjacent à la tête du pis- ton 32a. Il traverse alors le régénérateur 33a dela gauche vers la droite de la figure 5, en emportant une certaine quantité de chaleur et est finale- ment comprimé par le piston 31a sur le côté droit du régénérateur 33a. Il passe alors à travers l'échangeur de chaleur de récupération 35 en abandon- nant la chaleur acquise pendant le cycle. Si chaque étage de l'appareil de la figure 5 est de même dimension que l'étage simple de la figure 4 et si les conditions semblables de travail sont maintenues, l'effet de réfrigéra- tion entre l'échangeur 35 et l'échangeur 36 sera approximativement le double de celui du réfrigérateur de la figure 4.
Le retour du cylindre inférieur au cylindre supérieur se fait par la canalisation 51 et la circulation du gaz moteur qui en ré'sulte fait que l'espace au-dessus du piston 31 est maintenu substantiellement à la même température que l'espace au-dessus du piston 32a.
Dans les deux cas (figures 4 et figure 5) le contrôle de l'ef- fet de réfrigération est obtenu en réglant la pression du fluide moteur à l'ai- de d'une soupape 34.
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Il est clair que des pompes thermiques peuvent être réalisées avec un régénérateur se déplaçant par rapport au fluide moteur comme dans., le moteur thermique de la figure 1 et que des moteurs thermiques peuvent ê- tre réalisés avec un régénérateur fixe et des pistons opposés, comme la pom- pe thermique de la figure 4.
Lorsque, dans ce qui précède, on a décrit des échangeurs de chaleur de récupération, il est évident que la capacité de dissipation de la chaleur pourrait être augmentée en utilisant des réfrigérants liquides.