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L'invention est relative à des compresseurs à piston servant à la compression d'un gaz.
Elle a pour but, surtout, d'améliorer le rendement desdits com- presseurs, en les agençant de façon telle que la compression qu'ils réali- sent se rapproche autant que possible de la compression isotherme.
Elle consiste principalement et en même temps qu'à faire accom- plir, lors d'une première course de piston, seulement la compression du gaz à une pression déterminée par transvasement du gaz, à partir d'un premier cylindre où travaille un piston compresseur, dans une autre enceinte, et à effectuer, lors d'une course de piston postérieure, le refoulement du gaz hors du compresseur, à une pression au moins substantiellement égale à celle atteinte, lors de ladite compression -- à prévoir des moyens de refroidis- sement, ou bien dans ledit cylindre au voisinage de la sortie de ce dernier, ou bien entre lesdits cylindre.- et enceinte, ou bien dans cette dernière, au voisinage de l'entrée de celle-ci.
Elle consiste, mise à part cette disposition principale, en cer- taines autres dispositions qui s'utilisent, de préférence en même temps et dont il sera plus explicitement parlé ci-après.
Elle vise, plus particulièrement un certain mode d'application, ainsi que certains modes de réalisation desdites dispositions; et elle vise plus particulièrement encore, et ce à titre de produits industriels nouveaux, les compresseurs comportant application de ces mêmes dispositions, ainsi que les éléments spéciaux propres à leur établissement.
Et elle pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que du dessin ci-annexé, lesquels complément et dessin sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'indication.
La figure 1 montre un diagramme de compression et un schéma d'un compresseur à piston, destinés à faciliter la compréhension de l'invention.
Les figures 2 à 4 montrent schématiquement, en coupe axiale, trois compresseurs différents établis selon trois modes d'exécution différents de l'invention.
Selon l'invention et plus spécialement selon celui de ses modes d'application ainsi que ceux des modes de réalisation de ses diverses parties auxquels il semble bien qu'il y ait lieu d'accorder la préférence, se proposant d'établir un compresseur à piston servant à la compression d'un gaz, par exemple de l'air on s'y prend comme suite ou de façon analogue
Avant d'entrer dans le vif du sujet, il y a lieu de rappeler le fonctionnement d'un compresseur à piston ordinaire, la construction d'un tel compresseur étant représentée schématiquement par la partie inférieure de la figure 1, tandis que deux diagrammes de travail différents de ce même compresseur sont représentés par la partie supérieure de la même figure.
Ainsi qu'il ressort de la fige l. ledit compresseur ordinaire 1 comporte un piston 10 qui travaille dans un cylindre ll. en comprimant et ensuite en refoulant le contenu gazeux du cylindre ll. pendant sa course vers la gauche (voir la flèche) et en aspirant une nouvelle charge de gaz pendant sa course vers la droite.
L'opération de compression du fluide gazeux contenu dans le cylindre 11 peut être réalisée sous forme adiabatique suivant la courbe 12-13 du diagramme de la partie supérieure de la fig. 1, diagramme dans lequel les ordonnées représentent les pressions et les abscisses les courses du piston
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10. Après la compression adiabatique prenant fin au point 13, le refoulement subséquent s'effectue à la pression constante du réservoir alimenté par le compresseur, suivant l'horizontale 13-18 du diagramme.
Si, au contraire, la compression s'effectue en présence de moyens de refroidissement appropriés, la courbe de compression correspondra à la courbe 12-14 qui caractérise une compression plus ou moins isotherme et pour laquelle les volumes correspondante à une même pression sont inférieurs à ceux de la courbe adiabatique 12-13. Le refoulement est alors représenté par la partie 14-18 de l'horizontale précédente.
La surface hachurée 12-13-16 représente le-travail dépensé en compression adiabatique, L'aire 12-14-15 est proportionnelle à l'énergie transformée en compression refroidie.''La surface 13-16-17-18 correspond au travail de refoulement après une compression adiabatique et l'aire 14- 15-17-18 à celui du refoulement suivant une compression refroidie.
La simple inspection du diagramme de la figure 1, fait ressortir qu'il y a peu de différence entre les surfaces hachurées, ce qui peut être démontré facilement par le calcul, tandis que l'on remarque une différence importante entre les aires 13-16-17-18. On peut donc conclure que l'économie de travail obtenue par le refroidissement d'un gaz est réalisée surtout sous forme de diminution du travail de refoulement.
Cependant, dans le compresseur ordinaire du type indiqué par la partie inférieure de la figure l, un refroidissement efficace, lors de la compression, est malaisé à obtenir, par suite des surfaces insuffisantes de réfrigération dont on dispose, par suite de ladurée relativement courte pendant laquelle les moyens de réfrigération peuvent agir et par suite du manque d'agitation et de turbulence de la masse gazeuse,
Par contre, la disposition principale de l'invention permet d'éliminer ces obstacles et d'assurer un refroidissement efficace du gaz, lors de sa compression et avant son refoulement.
Cette disposition principale s'applique à des compresseurs dans lesquels la compression du gaz à une pression déterminée est accomplie sans le refoulement de ce gaz, lors d'une première course du piston, en transvasant le gaz à comprimer d'un premier cylindre où travaille un piston compresseur dans une autre enceinte, après quoi, le refoulement hors du compresseur, à une pression au moins substan- tiellement égale à celle atteinte lors de ladite compression, est obtenu, lors d'une course de piston postérieure; ladite disposition consiste à prévoir, dans un compresseur du genre indiqué, ou bien dans le premier cylindre au voisinage de ses ouvertures de sortie, ou bien entre ledit premier cylindre et ladite enceinte ou bien à l'intérieure de cette dernière, au voisinage de son entrée, des moyens de refroidissement.
Ceci étant, on munit un compresseur établi selon l'invention d'un premier cylindre 20 que l'on munit d'une ou.de plusieurs soupapes d'aspiration 21 et dans lequel. on fait travailler un premier piston 22 qui peut été entraîné par n'importe quel moyen approprié, par exemple, par un dispositif à bielle ou manivelle (non représenté) ou directement par un piston moteur (également non représenté) solidaire du piston compresseur 22 et constituant avec ce dernier, par exemple un équipage à pistons libres.
En ce qui concerne l'enceinte qui oonmunique avec l'intérieur dudit premier cylindre 20, lors de la course de compression du piston 22, elle peut être ou bien à volume fixe (voir figure 4) ou bien à volume variable (voir figures 2 et 3).
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dans ce dernier cas, la variation de cette enceinte devant être telle que la somme des espaces dans ledit premier cylindre 20 et dans ladite enceinte qui communiquent l'un avec l'autre, lors de la course de compression, dimi- nue au fur et à mesure que le piston compresseur 22 accomplit sa course de compression.
A ce dernier effet, ladite enceinte est constituée, selon la fige 2, par un deuxième cylindre 23 ayant un diamètre inférieur à celui du premier cylindre 20 et dans lequel travaille un piston 24 relié, par exem- ple, par une tige 25., au premier piston 22.
) De préférence, ondispose le cylindre 23 coaxialement par rapport au cylindre 20 et du côté opposé de la culasse 26 de ce dernier, de sorte que l'enceinte en question est fermée par l'espace se trouvant à l'intérieur du cylindre 23 entre le piston 24 et ladite culasse 26.
Lors de la course de compression du piston 22, on fait communi- quer l'intérieur du cylindre 20 avec l'intérieur du cylindre 23 par des canaux ménagés dans ladite culasse et commandés par des soupapes 27, ces soupapes étant agencées de façon telle que ladite communication soit établie pendant la course de compression du piston 22 et interrompue pendant la cour- se d'aspiration de ce piston.
En ce qui concerne le cylindre 23, on le munit, à son extrémité voisine de la culasse 26, d'une ou de plusieurs soupapes de refoulement 28 qui communiquent avec le raccord du conduit de refoulement 29.
Enfin, selon la disposition principale de l'invention on pré- voit, à l'intérieur des canaux de communication traversant la culasse 26, des moyens de réfrigération 29.
Le fonctionnement du compresseur représenté par la figure 2 est le suivant :
Après le remplissage du cylindre compresseur 20, lors d'une pré- cédente course, le piston compresseur 22 comprime le contenu gazeux du cylin- dre 20, durant sa course de compression (dans la fig. 2, la course descendan- te), en transvasant son contenu, à travers les canaux comportant les moyens de réfrigération 30 et les clapets 27, dans le cylindre 23 dont le piston 24 se déplace avec le piston 22. Cétte canpression est due au fait que l'augmentation de l'espace se trouvant dans le cylindre 23, entre la culasse 26 et le piston 24, est moins importante que la diminution simultanée de l'espace se trouvant à l'intérieur du cylindre 20, entre le piston 22 et la culasse 26.
Grâce à l'action des moyens de réfrigération 30, ladite compression a lieu selon la courbe 12-14 (voir diagramme de la fige 1) caractéri sant une compression presque isotherme et non pas selon la courbe 12-13 caractérisant une compression adiabatique.
A la fin de la course de compression, presque toute le contenu gazeux du cylindre 20 se trouve transvasé dans le cylindre 23 et en même temps comprimé.
Lors de la course suivante (la course ascendante dans l'exemple de la fige 2), la communication entre l'intérieur du cylindre 20 et celui du cylindre 23 est interrompue par la fermeture des clapets 27, de sorte que le gaz contenu dans le cylindre 23 est refoulé hors du compresseur, à travers les soupapes de refoulement 28, tandis qu'une nouvelle charge d'air frais est aspirée dans le cylindre 20.
Le refoulement du gaz comprimé, hors du cylindre 23, peut avoir lieu pendant toute la durée de la course ascendante, auquel cas la pression
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de refoulement est égale à la pression de compression obtenue à la fin de la course descendante, ou le refoulement peut n'avoir lieu que pendant la fin de la course ascendante et être précédé par une deuxième canpres- sion dans le cylindre 23, auquel cas un deuxième étage de compression a lieu dans ce dernier cylindre.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention on dispose les moyens de refroidissement 30 à l'intérieur de l'enceinte dans laquelle est transvasé le gaz à comprimer lors de la course de compression du piston 22 qui travaille dans le cylindre 20. De préférence, on constitue cette enceinte par l'intérieur de la culasse du cylindre 20, en donnant à cette culasse la forme d'un caisson 31. On munit ce caisson d'une soupape de refoulement qui permet l'évacuation de l'air comprimé se trouvant dans le caisson 31 vers le réservoir d'air comprimé.
En outre9 on fait communiquer l'intérieur du caisson 31 avec l'intérieur du cylindre 20 par des clapets de transvasement 33 disposés de façon telle qu'ils permettent le transvasement du gaz en cours de compression dans l'intérieur du caisson 31 mais qu'ils interrompent la communication entre l'intérieur du cylindre 20 et l'intérieur du caisson 31, lors de la course d'aspiration du piston 22.
En ce qui concerne les moyens destinés à effectuer le refoulement du gaz comprimé et transvasé dans l'enceinte 31, lors de la course qui suit la course de compression9 on les constitue avantageusement par une masse d'un liquide approprié:, par exemple de l'eau, mise en mouvement par une pompe et servant en même temps de réfrigérant, les calories absorbées par cette masse d'eau et provenant de la compression du gaz à comprimer, étant évacuées vers l'extérieur à l'aide d'un radiateur.
Ceci étant, on peut constituer les moyens de refroidissement 30 se trouvant dans le caisson 31 par de simples ailettes aux autres éléments radiants.
Pour ce qui est du circuit dans lequel circule l'eau ou autre liquide9 servant en même temps depiston de refoulement du gaz comprimé et de moyens de réfrigération, on lui fait comporter une pompe constituée par un cylindre 34 de préférence coaxial avec le cylindre 20 et par un piston 35 relié au piston 20 par une tige 25, en outre, un conduit 36 comportant un clapet 37 et reliant l'intérieur du caisson 31 à l'entrée d'un radiateur 38 et enfin, un conduit 39 reliant la sortie du radiateur 38 à l'aspiration de ladite pompe 3-35 qui, elle est munie d'une ou de plusieurs soupapes de refoulement 41. ces dernières soupapes commandant la communication entre l'intérieur de la pompe 34-35 et celui du caisson 31,
Le fonctionnement du dispositif représenté par la figure 3 est le suivant :
Dans la fig. 3, les pistons 22-35 sont représentés dans la position du point mort haut, le cylindre 20 étant à ce moment rempli de gaz détesdu ét le caisson 31 étant plein de liquidè réfrigérant, qui, à ce moment, baigne les éléments de radiation 30.
Le mouvement des pistons 34 et 35 vers leur pount mort bas produit simultanément dans le cylindre compresseur 20 la compression du gaz détendu et, dans le cylindre de pompe 34, l'aspiration à travers la soupape 40, du liquide dans le radiateur 38.
Le gaz comprimé pénètre en même temps, par les clapets 33 à l'intérieur du caisson 31 d'où il chasse le liquide réfrigérant à travers la soupape 37 et la tuyauterie 36 vers le radiateur 38, tandis que la pompe 34- 35 aspire, dans ledit radiateur, une quantité correspondante de liquide refroidi. De cette manière, il se produit un courant de liquide entre le caisson 31 et le corps de pompe 34, en passant par le radiateur 38.
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D'autre part, le gaz transvasé et en cours de compression reste en contact de la surface liquide dans le caisson 31 et entre progres- sivement au contact des éléments de radiation 30, de sorte qu'à la fin de la course d'aller des pistons 22 et 35, le gaz est venu remplacer le li- quide dans le caisson 31, Les éléments radiants 30 qui sont alternative- ment en contact avec le liquide réfrigérant et avec le gaz en cours de com- pression refroidissent ce dernier, en partie par conduction directe, en par- tie par leur propre capacité calorifique et c'est ainsi qu'est obtenu le ré- sultat cherché du refroidissement du gaz au cours de sa compressiono
Dans la course inverse des pistons, le piston 35 de la pompe refoule le liquide refroidi qu'elle vient d'aspirer dans le radiateur
38, dans le caisson 31, à travers les soupapes 41,
en expulsant le gaz comprimé hors dudit caisson et en le refoulant, à travers le clapet 32, au réservoir d'accumulation d'air comprimé. Dans cette course les clapets
33 restent automatiquement fermés, ainsi que les soupapes 40 et 37 et le piston 22 aspire une nouvelle charge de gaz détendu à travers les cla- pets d'aspiration 21.
Les résultats ainsi obtenus sont analogues à ceux indiqués à propos du dispositif de la figure 2, mais il y a lieu de faire remarquer que le compresseur de la figure 3, un peu plus complexe que celui de la fi- gure 2, permet d'obtenir une plus grande efficacité de refroidissement' pen- dant la compression du gaz.
Comme déjà indiqué ci-dessus, l'enceinte dans laquelle le piston 22 transvase le gaz à comprimer,lors de la course de compression , n'est pas nécessairement une enceinte à volume variable, mais peut être à volume constanto C'est ainsi que la figure 4 représente un mode d'exécution de l'invention comportant une telle enceinte 42.
On fait communiquer l'enceinte 42 avec l'intérieur du cylindre 20 par une ou plusieurs soupapes de transvasement 43 dont le fonctionnement est analogue à celui des soupapes de transvasement 27 ou 33 des compresseurs représentés respectivement par les figures 2 et 3. On dispose à l'intérieur de l'enceinte 42 et près de son entrée, un dispositif de refroidissement 44 qui est traversé par le gaz en cours de compression, lors de son transvasement, de sorte que ce gaz est refroidi pendant sa compression, ce qui a pour effet que cette compression a lieu selon la courbe 12-14 de la partie supérieure de la figure 1.
Pour obtenir le refoulement hors du compresseur du gaz transvasé dans l'enceinte 42 avec ou sans deuxième étage de compression, on prévoit un deuxié- me cylindre 45, de préférence coaxial au cylindre 20 et dans lequel travaille un piston 46 relié par la tige 25 au piston 22. On munit le cylindre 45 d'une soupape d'admission 47 qui commande la communication entre l'enceinte 42 et l'intérieur du cylindre 45 et d'une soupape de refoulement 48 qui permet le refoulement du contenu du cylindre 45 dans le conduit de refoulement 49.
On choisit le diamètre du cylindre 45 de façon telle que ce cylindre puisse recevoir la totalité des gaz transvasés dans l'enceinte 42, après que ceux-ci se soient détendus de la pression finale sous laquelle ils ont été mis à la fin de la course de compression, à une pression égale à ou voisine de la pression d'aspiration dans le cylindre 20. Cependant, vu le refroidissement que ces gaz ont subi par l'action des moyens de refroidissement 44, le volume de cette masse gazeuse, malgré sa détente à sa pression initiale, est inférieur à son volume initial de sorte que le diamètre du cylindre 45 est inférieur à celui du cylindre 20. Le dispositif représenté par la figure 4 fonctionne de la manière suivante :
La figure 4 représente les pistons 22-46 au point mort haut de leur course.
On suppose que l'appareil se trouve en régime et que par conséquent, comme on le verra plus loin, le réservoir intermédiaire 42 vient alimenter le petit cylindre 45. de sorte que l'on peut considérer lesdits réservoir et cylindre comme remplis de gaz à une pression voisine de celle
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qui règle dans le cylindre 20 et qui correspond à la pression d'alimentation du gaz détendu.
Quand les pistons 22-46 se déplacent vers leurs points morts bas, le gaz contenu dans le cylindre 20, en même temps que celui qui est contenu dans le réservoir 42, est comprimé de manière qu'à la fin de la course la pression atteignant sa valeur d'utilisation,:la presque totalité du gaz du cylindre 20 est remisée dans ledit réservoir après être passée à travers le réfrigérant 44 et en n'ayant subi qu'une compression pure ne comprenant aucun travail de refoulement.
En même temps le gaz contenu dans le cylindre 45 a été comprimé à une pression sensiblement 'égale à celle qui a été atteinte à la fin de la compression dans les capacités 20 et 42 et refoulé au réservoir d'accu- mulation., à travers les clapets 48 et la conduite 490
Dans le mouvement inverse des pistons 22-26, le grand cylindre aspire une nouvelle charge de gaz détendu par les clapets 21.
Le petit cylindre 45 est également alimenté à travers les clapets 47. Le z du réservoir 42 étant comprimé, se détend de manière à occuper en fin de course le total des volumes correspondants à ce réservoir et à la cylindrée du cylindre 45 qui est calculée pour pouvoir contenir, à une pression sensiblement égale à la pression d'aspiration du cylindre 20, toute la quantité aspirée par ce dernier cylindre, au cours de sa course d'aspiration précédente. @ La détente du gaz qui remplit,pendant ce mouvement inverse des pistons, le réservoir 42 et le cylindre 45 donne lieu à un :refroidissement intense tel que son volume final ramené à la pression d'aspiration ait subi une réduction qui permet à la petite cylindrée 45 de contenir la même masse gazeuse que la cylindrée 20.
Si l'on analyse les résultats de ces différentes opérations, on remarquera que letravail à effectuer se compose, dans le grand cylindre 20, de la compression pure qui dépend peu, comme on l'a montré, des conditions d'échange calorifique, selon lesquelles on l'effectue. Dans le petit cylindre 45. on détend, puis on recomprime la masse gazeuse dans les mêmes conditions thermiques ;
ces deux travaux s'annulent, puisque l'un constitue un apport et l'autre une dépense d'énergie équivalenteo Enfin, toujours dans le petit cylindre 45, on opère le refoulement final mais en opérant sur un volume correspondant sensiblement à la température de la compression primitive qui a été rendue voisine de l'isotherme par suite de la chaleur enlevée par le réfrigérante
Le gaz qui reste dans le réservoir 42. après alimentation du petit cylindre 45, ne joue aucun rôle énergétique puisqu'il ne fait que se comprimer et se détendre toujours dans les mêmes conditions thermiques.
Les explications qui viennent d'être données au sujet de la disposition de la figure 4 font ressortir qu'une masse gazeuse refroidie en cours de compression, puis détendue adiabatiquement est soumise à un refroidissement intense qui donne lieu, pour une pression' déterminée, à une contraction considérable de volume. Ce phénomène se produit également, dans une certaine mesure, dans les compresseurs représentés par les figures 2 et 3. Examinant par exempla la figure 2. on constate que, quand le piston 24 est arrivé au point mort haut de sa course de refoulement, il reste dans son cylindre une certaine quantité dair non refoulé comprise entre ledit piston 24 et la culasse 26 séparant les cylindres compresseurs 20 et 23.
Les explications qui viennent d'être données au sujet de la figure 4 permettent de comprendre immédiatement que cet espace mort joue partiellement le même rôle que le réservoir intermédiaire 42. Il en est de même de l'espace mort du grand cylindre 20 du compresseur de la figure 2.
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Dans ces conditions on comprend que l'on peut être amené à com- biner dans un même ensemble compresseur les différents modes de réalisation qui ont été indiqués surtout à titre d'indication et dont la caractéristique commune est le refroidissement du gaz en cours de compression par transvase- ment ou remisage, et avant le refoulemento
En suite de quoi et quel que soit le mode de réalisation adopté, on réalise, à l'aide de l'invention, un compresseur dont le fonctionnement ressort suffisamment de ce qui précède pour qu'il soit inutile d'entrer à son sujet dans aucune explication complémentaire et qui possède de nombreux avantages, notamment :
celui de permettre une compression qui se rapproche de la com- pression isotherme, donc très économique, et cela par suite de l'efficacité du refroidissement appliqué aux gaz à comprimer lors de leur compression, cette efficacité étant due, d'une part, à la possibilité donnée par l'inven- tion, de faire agir les moyens de refroidissement sur la masse en voie de compression, durant une course entière et, d'autre part, à la possibili- té également fournie par l'invention, d'avoir recours à des éléments de réfrigération d'une grande surface et, celui d'augmenter le rendement des soupapes de refoulement, notamment lorsque la période de refoulement peut s'étendre sur une course entière (voir figures 2 et 3).
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The invention relates to piston compressors for compressing a gas.
Its object is, above all, to improve the efficiency of said compressors, by arranging them in such a way that the compression which they produce is as close as possible to isothermal compression.
It consists mainly and at the same time in bringing about, during a first piston stroke, only the compression of the gas to a pressure determined by transferring the gas, from a first cylinder where a compressor piston works. , in another enclosure, and to perform, during a subsequent piston stroke, the delivery of gas out of the compressor, at a pressure at least substantially equal to that reached, during said compression - to provide cooling means - Sement, either in said cylinder in the vicinity of the outlet of the latter, or between said cylinder.- and enclosure, or in the latter, in the vicinity of the inlet thereof.
It consists, apart from this main provision, of certain other provisions which are used, preferably at the same time, and which will be discussed more explicitly below.
It relates more particularly to a certain mode of application, as well as to certain embodiments of said provisions; and it relates more particularly still, and this as new industrial products, the compressors comprising application of these same provisions, as well as the special elements specific to their establishment.
And it can, in any case, be clearly understood with the aid of the additional description which follows, as well as the appended drawing, which supplement and drawing are, of course, given above all by way of indication.
Figure 1 shows a compression diagram and a schematic of a piston compressor, intended to facilitate understanding of the invention.
Figures 2 to 4 show schematically, in axial section, three different compressors established according to three different embodiments of the invention.
According to the invention and more especially according to that of its modes of application as well as those of the embodiments of its various parts to which it seems that preference should be given, proposing to establish a compressor with piston for compressing a gas, for example air, this is done as a follow-up or similar
Before getting to the heart of the matter, it is necessary to recall the operation of an ordinary piston compressor, the construction of such a compressor being represented schematically by the lower part of figure 1, while two diagrams of different work of this same compressor are represented by the upper part of the same figure.
As can be seen from the freeze l. said ordinary compressor 1 comprises a piston 10 which works in a cylinder II. compressing and then forcing the gas content of cylinder II. while running to the left (see arrow) and sucking in a new charge of gas as it runs to the right.
The operation of compressing the gaseous fluid contained in the cylinder 11 can be carried out in adiabatic form according to the curve 12-13 of the diagram of the upper part of FIG. 1, diagram in which the ordinates represent the pressures and the abscissas the strokes of the piston
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10. After the adiabatic compression ending at point 13, the subsequent discharge takes place at the constant pressure of the reservoir supplied by the compressor, following the horizontal 13-18 of the diagram.
If, on the contrary, the compression is carried out in the presence of suitable cooling means, the compression curve will correspond to the curve 12-14 which characterizes a more or less isothermal compression and for which the volumes corresponding to the same pressure are less than those of the adiabatic curve 12-13. The discharge is then represented by part 14-18 of the previous horizontal.
The hatched area 12-13-16 represents the work expended in adiabatic compression, The area 12-14-15 is proportional to the energy transformed in cooled compression. '' The area 13-16-17-18 corresponds to the work discharge after adiabatic compression and the area 14-15-17-18 to that of discharge after cooled compression.
A simple inspection of the diagram in figure 1, reveals that there is little difference between the hatched areas, which can be easily demonstrated by calculation, while we notice a significant difference between the areas 13-16 -17-18. It can therefore be concluded that the labor saving obtained by cooling a gas is achieved above all in the form of a reduction in the discharge work.
However, in the ordinary compressor of the type indicated by the lower part of Fig. 1, effective cooling during compression is difficult to achieve, owing to the insufficient refrigeration surfaces available, owing to the relatively short duration of time. which the refrigeration means can act and as a result of the lack of agitation and turbulence of the gas mass,
On the other hand, the main arrangement of the invention makes it possible to eliminate these obstacles and to ensure effective cooling of the gas, during its compression and before its discharge.
This main arrangement applies to compressors in which the compression of the gas to a determined pressure is accomplished without the delivery of this gas, during a first stroke of the piston, by transferring the gas to be compressed from a first cylinder where it works a compressor piston in another enclosure, after which, the discharge out of the compressor, at a pressure at least substantially equal to that reached during said compression, is obtained, during a subsequent piston stroke; said arrangement consists in providing, in a compressor of the type indicated, either in the first cylinder in the vicinity of its outlet openings, or else between said first cylinder and said enclosure or else inside the latter, in the vicinity of its entrance, cooling means.
This being the case, a compressor established according to the invention is provided with a first cylinder 20 which is provided with one or more suction valves 21 and in which. a first piston 22 is made to work which can be driven by any suitable means, for example, by a connecting rod or crank device (not shown) or directly by a driving piston (also not shown) integral with the compressor piston 22 and constituting with the latter, for example a free piston assembly.
As regards the enclosure which oonmunique with the interior of said first cylinder 20, during the compression stroke of piston 22, it can either be at fixed volume (see FIG. 4) or else at variable volume (see FIGS. 2 and 3).
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in the latter case, the variation of this enclosure having to be such that the sum of the spaces in said first cylinder 20 and in said enclosure which communicate with each other, during the compression stroke, decreases progressively. as the compressor piston 22 completes its compression stroke.
For this latter purpose, said enclosure is formed, according to figure 2, by a second cylinder 23 having a diameter smaller than that of the first cylinder 20 and in which a piston 24 operates, connected, for example, by a rod 25., to the first piston 22.
) Preferably, ondisposes the cylinder 23 coaxially with respect to the cylinder 20 and on the opposite side of the cylinder head 26 thereof, so that the enclosure in question is closed by the space located inside the cylinder 23 between the piston 24 and said cylinder head 26.
During the compression stroke of the piston 22, the interior of cylinder 20 is made to communicate with the interior of cylinder 23 by channels formed in said cylinder head and controlled by valves 27, these valves being arranged such that said communication is established during the compression stroke of piston 22 and interrupted during the suction stroke of this piston.
As regards the cylinder 23, it is provided, at its end close to the cylinder head 26, with one or more discharge valves 28 which communicate with the connection of the discharge duct 29.
Finally, according to the main arrangement of the invention, refrigeration means 29 are provided inside the communication channels passing through the cylinder head 26.
The operation of the compressor shown in Figure 2 is as follows:
After filling the compressor cylinder 20, during a previous stroke, the compressor piston 22 compresses the gas content of the cylinder 20, during its compression stroke (in fig. 2, the downward stroke), by transferring its contents, through the channels comprising the refrigeration means 30 and the valves 27, into the cylinder 23, the piston 24 of which moves with the piston 22. This pressure is due to the fact that the increase in space is located in the cylinder 23, between the cylinder head 26 and the piston 24, is less important than the simultaneous decrease in the space located inside the cylinder 20, between the piston 22 and the cylinder head 26.
Thanks to the action of the refrigeration means 30, said compression takes place according to curve 12-14 (see diagram of fig. 1) characterizing an almost isothermal compression and not according to curve 12-13 characterizing adiabatic compression.
At the end of the compression stroke, almost all of the gas content of cylinder 20 is transferred to cylinder 23 and at the same time compressed.
During the next stroke (the upstroke in the example of fig 2), the communication between the interior of cylinder 20 and that of cylinder 23 is interrupted by the closing of valves 27, so that the gas contained in the cylinder 23 is forced out of the compressor, through discharge valves 28, while a new charge of fresh air is drawn into cylinder 20.
The discharge of the compressed gas, out of the cylinder 23, can take place throughout the duration of the upstroke, in which case the pressure
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discharge is equal to the compression pressure obtained at the end of the downstroke, or the discharge may take place only during the end of the upstroke and be preceded by a second pressure in cylinder 23, in which case a second compression stage takes place in this last cylinder.
According to another embodiment of the invention, the cooling means 30 are placed inside the chamber into which the gas to be compressed is transferred during the compression stroke of the piston 22 which works in the cylinder 20. De Preferably, this enclosure is formed from inside the cylinder head of cylinder 20, giving this cylinder head the shape of a box 31. This box is provided with a discharge valve which allows the compressed air to be discharged. located in the box 31 to the compressed air tank.
In addition9 the interior of the box 31 is made to communicate with the inside of the cylinder 20 by transfer valves 33 arranged in such a way that they allow the transfer of the gas during compression into the interior of the box 31 but that they interrupt the communication between the interior of the cylinder 20 and the interior of the box 31, during the suction stroke of the piston 22.
As regards the means intended to effect the discharge of the compressed gas transferred into the enclosure 31, during the stroke which follows the compression stroke9, they are advantageously constituted by a mass of a suitable liquid :, for example of l water, set in motion by a pump and serving at the same time as refrigerant, the calories absorbed by this mass of water and coming from the compression of the gas to be compressed, being evacuated to the outside using a radiator .
This being the case, the cooling means 30 located in the box 31 can be formed by simple fins with other radiant elements.
As regards the circuit in which circulates the water or other liquid9 serving at the same time as a delivery piston for the compressed gas and as refrigeration means, it is made to include a pump consisting of a cylinder 34 preferably coaxial with cylinder 20 and by a piston 35 connected to the piston 20 by a rod 25, in addition, a duct 36 comprising a valve 37 and connecting the interior of the box 31 to the inlet of a radiator 38 and finally, a duct 39 connecting the outlet of the radiator 38 at the intake of said pump 3-35 which is provided with one or more discharge valves 41. the latter valves controlling communication between the interior of the pump 34-35 and that of the casing 31,
The operation of the device represented by FIG. 3 is as follows:
In fig. 3, the pistons 22-35 are shown in the position of the top dead center, the cylinder 20 being at this moment filled with gas detained and the box 31 being full of refrigerant liquid, which, at this moment, bathes the radiation elements 30 .
The movement of the pistons 34 and 35 towards their low dead pount simultaneously produces in the compressor cylinder 20 the compression of the expanded gas and, in the pump cylinder 34, the suction through the valve 40, of the liquid in the radiator 38.
The compressed gas enters at the same time, through the valves 33 inside the box 31 from where it drives the refrigerant liquid through the valve 37 and the piping 36 towards the radiator 38, while the pump 34-35 sucks, in said radiator, a corresponding quantity of cooled liquid. In this way, there is a current of liquid between the box 31 and the pump body 34, passing through the radiator 38.
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On the other hand, the gas transferred and during compression remains in contact with the liquid surface in the box 31 and gradually comes into contact with the radiation elements 30, so that at the end of the forward stroke pistons 22 and 35, the gas has replaced the liquid in the box 31, The radiant elements 30 which are alternately in contact with the refrigerant liquid and with the gas being compressed cool the latter, in partly by direct conduction, partly by their own heat capacity, and this is how the desired result of cooling the gas during its compression is obtained.
In the reverse stroke of the pistons, the piston 35 of the pump delivers the cooled liquid that it has just sucked into the radiator
38, in the box 31, through the valves 41,
by expelling the compressed gas out of said box and by delivering it, through the valve 32, to the compressed air accumulation tank. In this race the valves
33 remain automatically closed, as do valves 40 and 37 and piston 22 sucks in a new charge of expanded gas through suction valves 21.
The results thus obtained are analogous to those indicated with regard to the device of figure 2, but it should be noted that the compressor of figure 3, a little more complex than that of figure 2, makes it possible to to achieve greater cooling efficiency during gas compression.
As already indicated above, the enclosure into which the piston 22 transfers the gas to be compressed, during the compression stroke, is not necessarily a variable volume enclosure, but may be at constant volume. FIG. 4 represents an embodiment of the invention comprising such an enclosure 42.
The enclosure 42 is communicated with the interior of the cylinder 20 by one or more transfer valves 43, the operation of which is similar to that of the transfer valves 27 or 33 of the compressors shown respectively in FIGS. 2 and 3. inside the enclosure 42 and near its inlet, a cooling device 44 which is crossed by the gas during compression, during its transfer, so that this gas is cooled during its compression, which has the effect of effect that this compression takes place according to the curve 12-14 of the upper part of Figure 1.
To obtain the discharge from the compressor of the gas transferred into the chamber 42 with or without a second compression stage, a second cylinder 45 is provided, preferably coaxial with the cylinder 20 and in which a piston 46 connected by the rod 25 operates. to the piston 22. The cylinder 45 is provided with an intake valve 47 which controls the communication between the enclosure 42 and the interior of the cylinder 45 and with a discharge valve 48 which allows the discharge of the contents of the cylinder 45 in the discharge pipe 49.
The diameter of the cylinder 45 is chosen so that this cylinder can receive all of the gases transferred into the enclosure 42, after these have relaxed from the final pressure under which they were put at the end of the stroke. compression, at a pressure equal to or close to the suction pressure in the cylinder 20. However, given the cooling that these gases have undergone by the action of the cooling means 44, the volume of this gaseous mass, despite its expansion to its initial pressure, is less than its initial volume so that the diameter of cylinder 45 is smaller than that of cylinder 20. The device shown in Figure 4 operates as follows:
FIG. 4 represents the pistons 22-46 at the top dead center of their stroke.
It is assumed that the apparatus is in working order and that consequently, as will be seen later, the intermediate reservoir 42 supplies the small cylinder 45, so that said reservoir and cylinder can be considered as filled with gas. a pressure close to that
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which regulates in the cylinder 20 and which corresponds to the supply pressure of the expanded gas.
When the pistons 22-46 move towards their bottom dead centers, the gas contained in the cylinder 20, together with that contained in the reservoir 42, is compressed so that at the end of the stroke the pressure reaching its value of use,: almost all of the gas in cylinder 20 is stored in said tank after having passed through the coolant 44 and having only undergone pure compression comprising no discharge work.
At the same time the gas contained in the cylinder 45 was compressed to a pressure substantially equal to that which was reached at the end of the compression in the capacities 20 and 42 and delivered to the accumulation tank., Through the valves 48 and the pipe 490
In the reverse movement of the pistons 22-26, the large cylinder sucks in a new charge of gas expanded by the valves 21.
The small cylinder 45 is also supplied through the valves 47. The z of the reservoir 42 being compressed, expands so as to occupy at the end of the stroke the total of the volumes corresponding to this reservoir and to the displacement of the cylinder 45 which is calculated for be able to contain, at a pressure substantially equal to the suction pressure of the cylinder 20, the entire quantity sucked by the latter cylinder, during its previous suction stroke. @ The expansion of the gas which fills, during this reverse movement of the pistons, the reservoir 42 and the cylinder 45 gives rise to an: intense cooling such that its final volume brought back to the suction pressure has undergone a reduction which allows the small cylinder capacity 45 to contain the same gaseous mass as cylinder capacity 20.
If we analyze the results of these different operations, we will notice that the work to be performed consists, in the large cylinder 20, of pure compression which depends little, as we have shown, on the heat exchange conditions, according to which we do. In the small cylinder 45, the gaseous mass is expanded and then recompressed under the same thermal conditions;
these two works cancel each other out, since one constitutes an input and the other an equivalent expenditure of energy. Finally, still in the small cylinder 45, the final discharge is carried out but by operating on a volume corresponding substantially to the temperature of the primitive compression which has been made close to the isotherm as a result of the heat removed by the refrigerant
The gas which remains in the reservoir 42 after supplying the small cylinder 45 does not play any energetic role since it only compresses and expands still under the same thermal conditions.
The explanations which have just been given concerning the arrangement of FIG. 4 show that a gaseous mass cooled during compression, then expanded adiabatically is subjected to intense cooling which gives rise, for a determined pressure, to a considerable contraction in volume. This phenomenon also occurs to a certain extent in the compressors shown in Figures 2 and 3. Examining for example Figure 2. it is noted that, when the piston 24 has reached the top dead center of its delivery stroke, it remains in its cylinder a certain quantity of non-discharged air between said piston 24 and the cylinder head 26 separating the compressor cylinders 20 and 23.
The explanations which have just been given with regard to FIG. 4 make it possible to immediately understand that this dead space partially plays the same role as the intermediate reservoir 42. The same is true of the dead space of the large cylinder 20 of the compressor. figure 2.
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Under these conditions it is understood that it may be necessary to combine in the same compressor assembly the different embodiments which have been indicated above all by way of indication and whose common characteristic is the cooling of the gas during compression. by transfer or storage, and before delivery
As a result of which and whatever the embodiment adopted, with the aid of the invention, a compressor is produced, the operation of which emerges sufficiently from the above for it to be unnecessary to enter into its subject in no further explanation and which has many advantages, including:
that of allowing a compression which approaches isothermal compression, therefore very economical, and this as a result of the efficiency of the cooling applied to the gases to be compressed during their compression, this efficiency being due, on the one hand, to the possibility given by the invention of causing the cooling means to act on the mass in the process of compression, during an entire stroke and, on the other hand, to the possibility also provided by the invention, of use refrigeration elements with a large surface area and that of increasing the efficiency of the discharge valves, especially when the discharge period can extend over an entire stroke (see Figures 2 and 3).