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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).