Dispositif pour transformer de l'énergie thermique en puissance motrice. La présente invention a pour objet un dis positif conçu, d'abord, en vue -de l'utilisation, pour la production de l'énergie mécanique, des sources de chaleur et de froid constituées par les eaux de surface et de fond des océans, ou plus généralement, par des eaux chaudes et froides, naturelles ou résiduelles, ayant en tre elles de faibles différences de température. Mais l'invention n'est pas limitée à l'emploi d'eau et de sa vapeur comme fluide, ni à l'utilisation de faibles chutes de température.
Le dispositif est caractérisé par un ar rangement tel qu'une vitesse y est d'abord donnée à un fluide, qui est d'abord un li quide relativement chaud et se transforme, clans la suite, en un mélange de ce liquide et de sa vapeur, par l'expansion même do la va peur issue du liquide, la force vive étant en suite utilisée dans une parti,- du dispositif, li vrant une puissance motrice. Cette puissance peut être dégagée, soit sous forme mécanique, soit aussi sous forme électrique.
Au dessin annexé, se rapportant à plu sieurs formes d'exécution du dispositif, don nées à titre d'exemples: La fig. 1 est une vue schématique donnée pour permettre de comprendre de quelle fa çon la vitesse du fluide est obtenue; La fig. 2 est. une vue de détail montrant un organe du dispositif permettant de sup primer la divergence du jet de fluide à la sor tie du tube qui amène le liquide chaud; La fig. 3 montre une forme d'exécution du dispositif, y compris la partie qui sert à utiliser la force vive produite comme on l'ex plique en regard de la fig. 1;
La fig. 4 est relative à une variante de la fig. 3; Les fig. 5, 6, 7 et S montrent différentes autres formes- d'exécution du dispositif, clan lesquelles la force vive produite est utilisée de différentes façons.
On supposera, pour fixer les idées, que. dans une enceinte A (fig. 1) maintenue à une pression suffisamment basse par le moyen d'une source froide B, glace ou eau froide re nouvelée, et d'une machine pneumatique fai sant le vide par un tube C, on fasse arriver par un tube cylindrique D de l'eau chaude, ou même simplement tiède, à une vitesse ap propriée de un à quelques mètres par seconde; cette eau se vaporise en partie dans sa masse même, en se refroidissant. Si, par exemple, la centième partie de l'eau est va porisée, la chaleur latente de vaporisation étant 600 fois plus grande environ que la chaleur spécifique du liquide, l'abaissement de température est de 6 environ; il est de 12 pour une vaporisation de 2 centièmes, etc.
La vapeur, dans son expansion, entraîne le liquide; ce sont d'abord de petites bulles de vapeur, en grand nombre, qui cheminent dans la masse liquide à peu près à la même vitesse; puis brusquement, sur un très court trajet, les bulles de vapeur grossissent et crè vent, et l'on a une projection de fines goutte lettes d'eau, très nombreuses et divergentes, comme représenté sur la fig. 1; la vitesse des goutt_lettes passe brusquement à quel ques dizaines de mètres par seconde sur un trajet qui est de l'ordre de grandeur de quel ques millimètres à quelques centimètres et le cône de divergence a. un angle au sommet plus ou moins grand selon les circonstances, pou vant être compris;
par exemple, entre 30 et 180 .
Si l'on suppose que la vapeur et l'eau en traînée par elle ont la même vitesse, ce qui n'est d'ailleurs à peu près vrai que pour une expansion modérée de la vapeur, il est facile de calculer cette vitesse en fonction de la température du mélange et de la vitesse ini tiale de l'eau chaude, à l'aide de la formule de Saint Vénant et Walzel.
Par exemple, pour de l'eau introduite à. 25 de l'atmosphère clans le vide absolu, c'est-à-dire à une vitesse initiale inférieure à 14 mètres par seconde, on trouve des vites ses de 22, 37, 60, 93 mètres par seconde pour des températures du mélange d'eau et de va peur de 20 , 15 , 10 , 5 centigrades, cor respondant à des proportions de vapeur de 0,85; 1,65; 2,5; 3,3 centièmes en poids, et à des volumes spécifiques du mélange de<B>376,</B> 1000, 2250, 6000 centimètres cubes par gramme.
Pour -de l'eau à 100 , l'augmentation de vitesse calculée est à peu près régulière et de 35 mètres par seconde environ pour chaque refroidissement de 10 correspondant à une augmentation de la teneur en vapeur de 1.5 pour cent environ.
Les vitesses du liquide et de sa vapeur seront forcément différentes vers la fin de l'expansion. Mais l'on pourra réduire cette différences, ainsi qu'il semble intéressant de le faire, pour améliorer le rendement du sys tème, par un artifice approprié, en particulier par l'augmentation du nombre des bulles df- vapeur qui se produisent dès le début de l'ex pansion. Comme il est probable que chacune de ces bulles soit formée, tout au début, à la faveur d'un peu de gaz dissous, on prévoit d'augmenter le nombre de bulles en ajoutant des gaz de diverses manières.
On peut prévoir, pour agir dans ce sens, l'introduction dans l'eau chaude avant son entrée dans la chambre d'expansion, par exemple d'une solution de gaz carbonique, ou autre gaz ayant été d'a bord- comprimé, ou bien l'emploi de réactions chimiques donnant des gaz, ou bien l'em ploi de l'électrolyse, facile à réaliser dans le cas de l'eau de mer. Les matières en disso lution dans l'eau (gaz, sels, .etc.) jouent un râle considérable dans la. production de ce phénomène.
La force vive produite peut être utilisée de plusieurs manières différentes qui vont être exposées. Mais dans bien des cas, on peut avoir intérêt à. supprimer la div-crgence du ,;et fluide à la sortie du tube qui amène le liquide chaud. On y arrive aisément (fig. 2) en entourant ce tube D par un autre E de dia mètre plus grand, et qui dépasse le premier d'une longueur convenable; le jet prend alors de lui-même une forme parabolique et, à la sortie du tube E, toutes les vitesses des gout- telett@s sont à peu près parallèles.
On peut aussi changer l'orientation des gouttelettes en les chargeant d'électricité et en les soumettant à l'action d'un champ élec- trique, ainsi qu'il sera expliqué plus en détail plus loin, à. propos du rassemblement des gouttelettes de liquide.
Dans tous les cas, on peut avoir un plus ou moins grand nombre de jets agissant sur le moteur.
Voici alors quelques-unes des variantes dans l'utilisation de la force vive, variantes qui peuvent d'ailleurs être combinées entre elles.
1. On peut chercher à utiliser directe- inent l'énergie cinétique du mélange fluide pur une roue de turbine et condenser ensuite la vapeur du mélange lorsqu'il a perdu pres que toute la vitesse. La turbine, qui peut êtro de l'un quelconque des types connus, doit évidemment être dimensionnée eu égard à la densité et à la vitesse du fluide, dont les va leurs peuvent être, comme on l'a vu, de l'ordre de grandeur de celles qui se produisent dans (les turbines hydrauliques.
La vapeur du mé lange, après absorption de sa force vive dans la turbine, est condensée par l'un des moyens connus, condenseur à surface ou à mélange, par de l'eau froide dont on dispose; on peut d'ailleurs au préalable, en séparer le liquide; soit en utilisant simplement la pesanteur, les (feux fluides n'ayant presque plus de vitesse. soit en utilisant la force centrifuge dans un: séparateur, soit en utilisant l'attraction'ou la répulsion électrique sur le liquide chargé (l'électricité.
La fig. 3 représente schématiquement, ¯'n élévation, la première de ces variantes flans le cas d'une turbine axiale à un seul disqu @. Les lettres y ont la même significa tion que dans les figures précédentes: A est la chambre d'expansion; B est le condenseur; C la conduite d'extraction des gaz;<I>D, D, D</I> les tubes d'arrivée de l'eau chaude;
E, E, E les tubes directeurs des jets fluides, lesquels arrivant normalement. au plan de rotation de la. turbine H, si elle est constituée par une hélice ou obliquement si elle est constituée par un disque genre de Laval; 1 est le col lecteur de vapeur allant au condenseur et J la conduite d'évacuation de l'eau chaude usée lui doit être remontée à la, pression atmos- phérique, soit par sa. vitesse, soit - par une pompe.
Il est à remarquer que, déjà dans une telle disposition, la force centrifuge provoquera la séparation du liquide et de la vapeur à la sor tie de la roue-turbine, et même dans cette roue. Ainsi se dispensera-t-on de décrire en détail les autres variantes, qui seront d'ail leurs mieux comprises après ce qui va suivre.
2 On peut séparer la vapeur et le liquide dès que l'expansion est produite et que le mé lange a pris sa vitesse, et utiliser séparément leurs énergies cinétiques dans deux turbines appropriées à ces deux genres de fluides. Mais comme l'énergie cinétique de la vapeur est petite en comparaison de celle du liquide, puisque sa masse n'est que de quelques cen tièmes de celle de l'eau, et comme sa vitesse est de l'ordre de grandeur de celle des va peurs que l'on rejette au condenseur dans les machines ordinaires, il semble préférable de condenser la vapeur sans utiliser son énergie cinétique.
Cette séparation préalable peut se faire mécaniquement par la force centrifuge. On supposera, pour un instant, que l'on dirige tous les jets fluides à l'intérieur d'une paroi cylindrique et presque tangentiellement; le fluide se mettra à tourner en glissant sur la paroi et la force centrifuge appliquera le li quide sur la paroi, tandis que la vapeur s'é chappera par l'intérieur; on aurait ainsi une séparation, mais avec une perte de viksse du liquide assez considérable par les frottements sur la paroi; on peut éviter cette perte d'é nergie en faisant tourner la paroi autour de son axe synchroniquement avec le liquide.
On a ainsi un séparateur dont l'eau peut être évacuée par des orifices ou,des ajutages pla cés sur la paroi même; cette eau qui a con servé sa. vitesse peut alors être dirigée sur les aubes d'une roue-turbine; le même organe peut faire l'office de séparateur et de roue motrice.
La fig. 4 représente, en élévation, l'appli cation de cette idée,-les lettres ont encore la, même signification que dans les figures pré- cédentes, mais H est à la fois le séparateur et la turbine.
La séparation de la vapeur et du liquide peut encore se faire d'autres manières, en particulier par l'électrisation des gouttelettes liquides et leur passage dans un champ élec trique. La fig. 5 montre schématiquement l'une de ces dispositions appliquée à un jet de . fluide-mélange déjà orienté par un tube directeur. La machine électrique K servant à cet effet, peut être soit une machine électro statique, soit un transformateur de courant alternatif de fréquence convenable et de haute tension.
Autour du tube D d'entrée de l'eau chaude dans la chambre d'expansion est disposée une électrode L, reliée à l'un des pôles de la machine (+ par exemple) et qui électrise par influence les gouttelettes liqui des. Le tube D est connecté à l'autre pôle de la machine K.
La paroi du tube directeur E est en matière non conductrice, de manière à permettre de donner une charge par in fluence aux gouttelettes au bout du tube D, une différence de potentiel existant entre l'é lectrode L et les gouttelettes en train de se détacher de la masse liquide au bout du tube D. L'ens--mble -du fluide passe dans un cy lindre métallique M qui est relié à l'autre pôle (-) de la machine électrique;
enfin, au centre de ce cylindre est un tube plus petit ou un fil N relié au même pôle que l'électrode L, le champ électrique radial qui est ainsi produit à l'intérieur du-cylindre 1l'1 rassemble les gouttelettes vers le centre et concentre leur action sur les aubes de la turbine genre Pel- ton H.
d On peut encore provoquer la condensa tion de la vapeur dans le mêlange même dès que celui-ci a pris sa vitesse, au sortir du tube directeur avant son envoi dans la tur bine, en refroidissant le mélange, soit qu'on lui fasse longer des surfaces métalliques, de l'autre côté desquelles circule de l'eau froide, soit que l'on injecte de l'eau froide dans ce mélange, soit qu'on utilise les deux procé dés simultanément ou successivement.
La condensation faite par surface froide, peut se produire avec une nouvelle augmenta- tion de la vitesse du fluide si la circulation dé l'eau froide est en sens inverse de celle de ce fluide. Au contraire, si la condensation est faite par mélange avec l'eau froide, la masse de celle-ci, qui doit être mise en mouvement. a pour effet de réduire la vitesse, la masse totale d'eau étant plus grande en fin di, compte.
Mais on peut aussi, dans ce cas, don ner à l'eau froide, au moyen d'une pompe, une vitesse égale, ou presque à celle du fluide- mélange puisque l'énergie ainsi fournie à cette eau froide pourra être en grande par tie récupérée plus tard dans la. turbine hy- draulique.
Il n'est guère possible de décrire toutes les variantes possibles: La fig. 6 représente sché matiquement le cas où l'on condense la vapeur par mélange; l'eau froide étant douée de vi tesse arrive par les conduites P, P. P.
. 4 Enfin, on peut se proposer de faire di rectement de l'énergie électrique sans passer par l'énergie mécanique. En effet, puisque par sa nature même, le phénomène de l'expansion du liquide dans le vide produit un grand nombre de gouttelettes animées de vitesses à. peu près égales, on peut utiliser ce phéno mène en combinaison avec la machine électri que dite "à écoulement", imaginée jadis par Lord Kelvin.
La fig. 7 représente schématiquement l'application de cette idée; autour du tube D. d'entrée de l'eau chaude dans la chambre d'expansion<I>A,</I> est disposée une électrode<I>L.</I> reliée à l'une des armatures d'un condensa teur Q chargé en permanence; cette électrode L électrise par influence les goutLlettes li quides;
une autre électrode M, de forme appro priée, -est reliée à l'autre armature du con densateur et reçoit les gouttelettes quand elles ont perdu presque toute leur force vive par le freinage dans le champ électrique qui existe dans l'espace compris entre L et M et dans lequel les gouttelettes sont lancées, en vertu de la vitesse acquise, ce champ étant de sens inverse de celui qui ferait mouvoir librement ces gouttelettes avec cette vitesse. L'électrode M rassemble les gouttelettes dans la conduit(; d'évacuation J, et rassemble leurs charges qui s'écoulent dans les appareils d'u tilisation branchés entre les bornes du con densateur Q. La vapeur est supposée, dans cette figure, envoyée dans les condenseurs B.
B..., mais on peut concevoir aussi que l'é lectrode M soit creuse et parcourue à l'inté rieur par l'eau froide, et serve ainsi en même temps de surface condensante de la vapeur.
Enfin, la fig. 8 représente schématique ment une variante dans laquelle la conden sation de la vapeur est faite par mélange, l'eau de condensation servant en même temps d'électrode. Les lettres ont toujours la même ignification; l'eau froide, qui arrive par le bas de l'appareil s'élève sous la forme d'un ,jet conique M et tomba dans une capacité an nulaire R d'où elle -est expulsée, mélangée à l'eau chaude refroidie par l'expansion. Il faut évidemment que les sources chaudes et froi des soient isolées l'une de l'autre électrique ment.
Le fluide employé peut être autre que l'eau. On peut même employer dans toutes les variantes indiquées plusieurs fluides dif férents dans un même appareil; non seulement le fluide de la source froide peut être autre que celui de la source chaude, mais on peut employer pour le liquide chaud, un mélange (le deux ou plusieurs liquides ayant des ten ions différentes à une même température.