CH624181A5 - - Google Patents

Description

La présente invention a pour objet un procédé de transfert d'énergie de chaleur au moyen d'un processus thermodynamique cyclique et un dispositif pour la mise en œuvre du procédé.

En 1850, le physicien allemand Clausius formula la proposition qui est connue en tant que seconde loi de la thermodynamique. On s'y référera en tant que théorie Clausius ou la théorie. Selon cette théorie, comme cela est bien connu, la chaleur ne peut pas d'elle-même passer d'une température inférieure à une température supérieure non plus qu'elle ne peut se transformer d'elle-même en travail utile. La théorie implique une négation par exclusion, à savoir que le mouvement perpétuel dit de second ordre n'est pas possible.

Il est bien connu que les processus de réduction de l'entropie, c'est-à-dire les processus de mouvement perpétuel, existent non seulement dans des expériences imaginaires mais également dans la réalité. Selon la théorie de Clausius, toutefois, un tel processus doit, par nature, être toujours combiné ou joint à un processus destructeur augmentant l'entropie, lequel doit dominer et ainsi défaire ce que le précédent processus accomplirait. Le processus destructeur s'est, suivant la théorie, toujours montré prédominant car, sinon, la combinaison des deux processus pourrait constituer un mouvement perpétuel de second ordre, ce qui n'est pas connu.

Comme on le sait, les dispositifs, tels qu'unités de réfrigération, moteurs à vapeur et pompes à chaleur, qui mettent en œuvre les procédés de transfert d'énergie de chaleur au moyen d'un processus thermodynamique cyclique, par exemple les dispositifs décrits dans les fascicules des brevets américains Nos 3808828 et 3896635, ont un rendement relativement faible, qui se situe autour de 30%. Cela est dû au fait que, dans les procédés connus, appliqués à la construction de tels dispositifs, le rapport entre le processus destructeur augmentant l'entropie et le processus de réduction de l'entropie est trop élevé.

L'invention a pour but de fournir un procédé dans lequel ce rapport est sensiblement réduit et dont l'application à la construction de tels dispositifs permet d'obtenir des rendements bien plus élevés. A cet effet, on propose le procédé selon l'invention, défini dans la revendication 1.

Les principes théoriques sur lesquels est fondé le procédé qui fait l'objet de la présente invention et l'application de celui-ci à la construction des machines seront décrits ci-après en se référant aux dessins schématiques annexés, donnés à titre d'exemple, dans lesquels :

Les fig. 1 et 3 servent à l'explication théorique de l'invention.

La fig. 2 illustre la mise en œuvre du procédé.

Les fig. 4 et 5 sont des diagrammes relatifs aux fig. 1 et 3.

Les fig. 6 à 12 illustrent différentes variantes de mise en œuvre du procédé.

La fig. 13 montre schématiquement des moyens de mise en œuvre du procédé.

La fig. 14 montre, en coupe axiale, un dispositif de transfert de la chaleur suivant le procédé.

La fig. 15 montre un détail de la fig. 14.

Dans l'étude physique des processus réduisant l'entropie et fournissant du travail, on peut noter un détail important, à savoir qu'il se produit toujours une diffusion entre deux ou plusieurs substances. Dans un processus tel que celui représenté aux cinq premières figures, le trajet de diffusion est extrêmement court, c'est-à-dire de l'ordre d'une fraction de millimètre. Dans un processus tel que celui représenté par les autres figures, il peut être beaucoup plus long et, dans celui de la fig. 6 par exemple, il est couramment d'environ 1 cm.

On suppose que l'on a un récipient ou un cylindre fermé 1 comme représenté à la fig. 1. Une faible quantité de liquide 2, tel que de l'ammoniac, se trouve au fond du récipient. L'espace au-dessus de ce liquide dans le récipient 1 ne contient que de l'ammoniac gazeux dont les molécules sont désignées en tant qu'a-molé-cules.

On suppose maintenant qu'une mince feuille d'or, par exemple, est placée pour recouvrir la surface libre du liquide. On introduit alors par pompage dans le récipient 1 un gaz inerte par exemple de l'azote. Une pression relativement basse de l'azote est seulement nécessaire, par exemple 20 atm, mais, en partie pour que l'effet décrit ci-après puisse être clairement discerné et en par5

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tie pour des raisons qui seront visibles en rapport avec la fig. 2, on admet une pression finale de l'ordre de plusieurs centaines ou de plusieurs milliers d'atmosphères. La température du système reste inaltérée, c'est-à-dire la température ambiante. On suppose maintenant que l'on enlève la feuille. On observe immédiatement une chute de pression à l'intérieur du système en résultat d'une évapo-ration de l'ammoniac liquide dans l'azote. A cette pression,

l'azote se comporte alors en tant que solvant de l'ammoniac gazeux. Le volume de l'ammoniac liquide diminue d'une certaine quantité que l'on peut appeler Àv, et le volume occupé par le gaz augmente de la même quantité. L'azote se dilate par conséquent et sa pression diminue. Etant donné que la pression d'azote est prédominante, la pression dans tout le système diminue en dépit d'une augmentation de la pression partielle de l'ammoniac gazeux. Les molécules d'ammoniac liquide, qui sont alors passées à l'état gazeux sont désignées par p-molécules. La solubilité de l'azote dans l'ammoniac gazeux peut être considérée comme nulle ou, sinon, on peut admettre que la quantité restante d'ammoniac gazeux est infinitésimale.

Il est tout à fait en accord avec le principe de Le Châtelier que l'évaporation de l'ammoniac liquide dans l'azote soit accompagnée d'une chute de pression. Cette chute de pression a lieu de sorte que l'augmentation totale de pression, lorsque l'azote est amené par pompage dans le système, reste aussi faible que possible.

Si, lorsque la feuille est éliminée de la surface du liquide, on maintient la pression totale du système à une valeur constante, par exemple au moyen d'un piston, le volume diminue et le poids spécifique du système augmente d'une manière correspondante. Si, d'une façon quelconque, les P-molécules sont ramenées à l'état liquide, le volume augmente et le poids spécifique diminue.

On applique maintenant l'expérience physique ci-dessus à un dispositif dont la construction est représentée schématiquement à la fig. 2. Chaque ligne en trait plein de cette figure représente un conduit. La ligne en traits mixtes I-I est un axe autour duquel le dispositif tourne à vitesse élevée. Ainsi, le contenu du dispositif se trouve soumis à un champ de forces extrêmement élevé. On peut admettre que celui-ci est de l'ordre de 100000 g à la distance la plus éloignée de l'axe. L'énergie nécessaire pour maintenir la rotation du dispositif dépend de pertes par friction. On peut supposer que les conduits 6 et 7 sont approximativement à la même distance de l'axe de rotation ainsi que les conduits 8 et 10.

Le dispositif contient deux substances A et B. On suppose que A est de l'ammoniac et B un gaz inerte de poids moléculaire moyen convenable. Un mélange d'azote et d'hexafluorure de soufre convient. On suppose également (pour des raisons données plus loin) que le contenu du dispositif se déplace dans les directions indiquées par les flèches de la fig. 2. La pression près de l'axe de rotation est supposée être d'environ 20 atm et celle régnant à la périphérie d'environ 1000 atm. On suppose que le gaz inerte B additionné d'un peu d'ammoniac A passe par le conduit 4 vers le centre de rotation et que de l'ammoniac liquide passe par le conduit 5 dans la même direction. Le mélange de gaz continue son chemin le long du conduit 5 dans la même direction. Le mélange de gaz continue son chemin le long du conduit 6 qui est parallèle à l'axe de rotation. De là, il passe dans le conduit 7 où il rencontre l'ammoniac liquide qui a pénétré dans le conduit 7 à partir du conduit 5. En cet endroit, l'ammoniac s'évapore dans le gaz inerte, de sorte que de la chaleur ambiante est absorbée et qu'un refroidissement se produit. Le contact en cet endroit entre le liquide et le gaz s'effectue en un point u". Le gaz inerte et l'ammoniac gazeux passent maintenant vers l'extérieur à partir du centre de rotation par le conduit 3 avec une augmentation de la pression et de la température. Le changement d'état est adiaba-tique si les conduits 3 et 4 sont thermiquement isolés l'un de l'autre. On admet pour l'instant qu'ils sont ainsi isolés. Le mélange gazeux passe du conduit 3 dans le conduit 8. En se déplaçant vers un point 9, la température du mélange gazeux décroît en conséquence du contact thermique étroit entre le conduit 8 et le conduit 10. A partir du point 9 jusqu'au point 11, la température diminue en conséquence de la perte thermique vers l'extérieur qui se trouve à une température plus basse. Au point 9, l'ammoniac commence à se condenser. La chaleur dégagée par la condensation est émise entre les points 9 et 11. La surface de contact entre le liquide et le gaz est un point u'. Au point 11, l'ammoniac liquide se sépare. Comme il est plus léger que le gaz inerte, il s'écoule vers l'axe de rotation I-I par le conduit 5. La température au point 11 peut être considérée comme égale ou légèrement supérieure à celle du milieu extérieur tandis qu'au point 9 elle est un petit peu plus élevée. Le gaz inerte maintenant appauvri en ammoniac continue son chemin par un conduit 10 où il est réchauffé, les conduits 8 et 10 fonctionnant ensemble en tant qu'é-changeurs de chaleur. Le gaz ayant été réchauffé passe dans le conduit 4 et se déplace ainsi vers l'axe de rotation I-I en se refroidissant d'une manière adiabatique comme il doit le faire. Il passe ensuite par le conduit 6 comme déjà décrit et parvient en même temps que l'ammoniac, une fois encore, dans le conduit 7.

Le conduit 5 peut être disposé en contact thermique avec les conduits 8 et 3 ainsi qu'avec le conduit 7. Cette disposition présente certains avantages. Toutefois, cela n'est pas à prendre particulièrement en considération et n'a été mentionné qu'en passant.

On montre maintenant ci-après comment peut se produire spontanément la circulation dans le dispositif décrit. Un certain nombre de lignes en traits interrompus II-II sont dessinées à la fig. 2, toutes parallèles à l'axe de rotation I-I et coupant les conduits 3, 4 et 5. A l'endroit où la première ligne II-II coupe le conduit 3 (la première ligne II-II étant la plus proche de l'axe de rotation I-I), on observe une très faible, bien que non infinitésimale, masse q de mélange de gaz. Son volume est vi et ainsi son poids spécifique est q/vi. Lorsque cette masse de mélange de gaz passe par le conduit 8, de l'ammoniac liquide se sépare et s'écoule par le conduit 5 vers l'axe de rotation. Cette masse d'ammoniac liquide est appelée q' et la masse restante de mélange gazeux q". Ainsi, q = q'+q". Aux endroits où l'une quelconque des lignes II-II coupe les conduits 5 et 4, se trouvent les masses q', respectivement q". Aux endroits où l'une quelconque des lignes II-II coupe le conduit 3, se trouvent des masses q qui, prises dans l'ordre partant de l'axe de rotation, occupent des volumes vi, V2, V3, etc., jusqu'à la périphérie où le volume occupé est vio. Aux endroits correspondants du conduit 5, les masses qu'occupent des volumes v'i, v'2, v'3, etc., jusqu'à v'i0 à la périphérie, et aux endroits correspondants du conduit 4 les masses q" occupent des volumes v"i, v'2, v"3, etc., jusqu'à v"io à la périphérie.

Il est clair d'après la description relative à la fig. I que: v'io + v"io>vio v"io ne contient en fait plus du tout de p-molécules. Celles-ci sont passées à l'état liquide au point 11 et présentent ainsi le volume v'10. L'expression ci-dessus demeure vraie même si certaines P-molécules accompagnent le condensât, c'est-à-dire s'il y a un manque d'oc-molécules dans v"io, car la pression du gaz inerte est d'un ordre de grandeur plus élevé que la pression indépendante de l'ammoniac. D'autre part, les conditions proches de l'axe de rotation I-I sont tout à fait différentes. A la température qui y est obtenue, la pression indépendante du gaz inerte est du même ordre de grandeur que celle de la vapeur ammoniaque saturée. Ainsi, à proximité de l'axe de rotation I-I, le manque d'a-molé-cules dans le conduit 4 amène une diminution sensible de volume, donnant:

v'i+v"i<vi

Ainsi une force capable de propulser les gaz à travers les conduits 3, 8, 10, 4, 6, 7 est engendrée à la périphérie du système. Cette force décroît vers le centre et, en règle générale, change de signe quelque part entre la périphérie et le centre. Si cela se produit, c'est en fonction de la pression et du poids moléculaire du gaz inerte. Toutefois, la pression à la périphérie ne doit pas s'élever au-dessus d'une certaine valeur ou bien l'ammoniac ne se

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condense pas. Le système est ainsi relativement complexe. Ce qui suit est une plus simple explication des phénomènes décrits ci-dessus.

On suppose maintenant que le dispositif dont le schéma est représenté à la fig. 2 ne contient qu'une quantité appropriée d'ammoniac. Comme précédemment, le dispositif tourne à vitesse élevée. On amène alors par pompage dans le dispositif un mélange de gaz inerte de poids moléculaire moyen convenable. Ce que l'on entend ici par convenable est exposé plus loin. Le pompage d'une certaine quantité de gaz est effectué jusqu'à ce qu'il soit observé que l'ammoniac liquide est monté dans le conduit 5 jusqu'au conduit 7, puis on arrête de pomper. A ce moment, la force centrifuge appliquée aux colonnes de gaz dans les conduits 3 et 4 est égale à ou sensiblement plus élevée que la force centrifuge appliquée à la colonne de liquide dans le conduit 5. Comme on a choisi une valeur convenable pour le poids moléculaire moyen du mélange de gaz inerte, on constate, en outre, que la force centrifuge appliquée à la colonne de gaz dans le conduit 3 est seulement très légèrement plus élevée que celle appliquée au conduit 4. Cependant, elle est suffisante pour vaincre la résistance à l'écoulement du système. La différence entre les deux forces est identique à la force de propulsion qui vainc les résistances de friction et d'écoulement. Ainsi, plus le poids moléculaire est choisi faible et plus élevée est cette force. Mais, comme les forces centrifuges sont colossales par rapport à la résistance d'écoulement, le poids moléculaire moyen doit être fixé avec assez de précision. Au moyen du processus décrit ci-dessus, de la chaleur passe d'une température inférieure près de l'axe de rotation (u") à une température supérieure à la périphérie (u').

Il peut être également très intéressant d'étudier ce qui se produit si le processus est effectué d'une manière isothermique ou, pour être plus précis, à la température ambiante. Dans ce cas, un fin brouillard d'ammoniac liquide se forme dans le conduit 3 à mesure que les gaz sont amenés à une pression croissante sur leur trajet vers la périphérie du système. On peut supposer que ce brouillard est porté par le jet de gaz au-delà du point où le poids spécifique du gaz inerte est égal à celui de l'ammoniac liquide. Evidemment, au-delà de ce point, c'est-à-dire plus près de la périphérie, le poids spécifique du mélange de gaz est supérieur à celui de l'ammoniac liquide. Ainsi on peut supposer que l'ammoniac liquide, comme précédemment, se sépare au point 11 et s'écoule par les conduits 5 vers le centre du système. Le gaz inerte appauvri en ammoniac passe par le conduit 4 vers le centre pour les mêmes raisons que précédemment. Ainsi, les phénomènes décrits précédemment ont lieu à température ambiante. A ce sujet, le seul bénéfice que l'on peut tirer d'un tel dispositif consiste en un travail mécanique. Le dispositif peut produire du travail de deux manières différentes ou de ces deux manières en même temps. Dans un cas, le poids moléculaire moyen du mélange de gaz est choisi de sorte que la quantité de travail mécanique fournie au gaz est juste süffisante pour maintenir sa circulation. La densité moyenne du gaz est élevée de sorte que la force centrifuge appliquée aux colonnes de gaz dans les conduits 3 et 4 est sensiblement plus élevée que celle appliquée à la colonne de liquide dans le conduit 5. Le liquide est ainsi propulsé vers le centre avec une grande force et peut, par conséquent, transmettre du travail à une pompe ou à une turbine à pistons. Dans l'autre cas, on choisit un gaz inerte présentant le plus faible poids moléculaire moyen possible. Toutefois, sa densité doit être suffisamment élevée pour permettre au liquide du conduit 5 d'atteindre le conduit 7. La colonne de gaz se trouvant dans le conduit 4 est ainsi sensiblement plus légère que celle se trouvant dans le conduit 3, de sorte que le gaz circule avec une grande force et peut transmettre un travail mécanique à une pompe ou à une turbine.

On suppose que la température continue comme précédemment d'être la même dans le dispositif. Dans le conduit 7 où la pression du gaz inerte est faible, de la chaleur ambiante est absorbée au fur et à mesure que de l'ammoniac liquide s'évapore. Dans le conduit 3 (on peut négliger le conduit 5 dans ce cas) l'ammoniac gazeux se condense en présence d'un gaz inerte qui est à une pression considérablement plus élevée que dans le conduit 7. En même temps que cette condensation, de la chaleur est rayonnée vers l'extérieur. On peut négliger l'absorption et l'émission de chaleur qui ont lieu dans le gaz inerte seul, car le processus est supposé être isothermique et à température ambiante. On s'attend que la chaleur de condensation rayonnée en présence d'un gaz inerte deviendra d'autant plus faible que la pression indépendante du gaz est plus élevée. Davantage de chaleur doit alors être absorbée, lorsque l'ammoniac s'évapore dans le conduit 7 qu'il n'en est émis, lorsqu'il se condense dans le conduit 3. Cette différence est identique au travail exprimé en unités de chaleur, effectué par la machine à pistons ou par la turbine.

Il est maintenant connu que la chaleur de condensation diminue au fur et à mesure que la pression du gaz inerte augmente. Cela semble être un signe encourageant pour donner du poids à l'hypothèse conduisant au présent processus. A ce sujet, il existe également un autre processus isothermique qui est décrit ci-après.

La fig. 3 représente un cylindre 1 fermé par un piston mobile 15. Dans la partie inférieure du cylindre se trouve une faible quantité d'ammoniac liquide. Le cylindre contient également du gaz inerte. Pour que l'ammoniac liquide reste au fond du cylindre et ne monte pas lorsque augmente la pression, on suppose que le gaz inerte est léger, que c'est par exemple de l'hélium. La pression totale régnant dans le cylindre lorsque le piston se trouve dans la position représentée à la fig. 3 peut être de 200 atm. Cet état est représenté par le point a dans le graphique pv de la fig. 4. Le volume de gaz contient à la fois des molécules d'hélium et des molécules d'ammoniac, ces dernières étant différenciées comme précédemment en a-molécules et P-molécules.

On repousse maintenant le piston dans le cylindre en maintenant constante la température. Le changement d'état qui s'ensuit est représenté au graphique pv de la fig. 4 par la courbe abc. En c, la masse de l'ammoniac liquide au fond du cylindre 1 est supérieure à celle en a, l'ammoniac s'étant condensé du fait de l'accroissement de pression.

On imagine maintenant que l'on recouvre d'une feuille d'or la surface libre du liquide. Cela étant effectué, on fait monter le piston 15. En c, évidemment, des p-molécules étaient également présentes dans le gaz et, comme la feuille empêche maintenant toute évaporation du liquide, ces P-molécules deviennent rapidement des a-molécules au fur et à mesure que se produit la dilatation. En d sur la courbe, toutes les p-molécules ont été transformées. En ce point, alors, on a le même nombre de molécules d'ammoniac par unité de volume que dans une vapeur d'ammoniac saturée sèche à la même température. A ce stade, au point d, on imagine que l'on fait un petit trou dans la feuille, ce qui permet la diffusion d'une quantité juste suffisante de molécules pour permettre à la masse par unité de volume d'ammoniac gazeux de rester constante au fur et à mesure que le piston continue de monter. Ainsi, durant le changement d'état d-e de la fig. 4, il y a une quantité complémentaire d'a-molécules qui se trouve à l'état gazeux, mais plus du tout de p-molécules. Comme dans le cas de la fig. 1, la pression totale au cours du changement d'état d-e est supérieure à celle régnant durant le changement d'état b-a. Pour la même raison, elle est également supérieure durant c-d que durant c-b.

Lorsqu'on a atteint l'état e de la fig. 4, on enlève la feuille. Une certaine quantité de liquide s'évapore alors, c'est-à-dire que de l'ammoniac gazeux se dissout dans l'hélium, ou que les p-molécules y trouvent leur voie. Le changement d'état en cet endroit est donné par le trajet e-a de la fig. 4 c'est-à-dire une chute de pression à volume total constant. Le travail effectué (énergie dégagée) est alors égal à l'aire de la surface a-b-c-d-e-a. Ce travail implique qu'il y a une absorption de chaleur provenant de l'extérieur. Il est facile de comprendre comment cela se produit. Lorsque le volume diminue (courbe a-b-c), l'ammoniac se condense. Lorsque le volume augmente (courbe c-d-e), seul un petit peu d'ammoniac

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s'évapore. Sur le tronçon c-d, il n'y a pas d'évaporation du tout et, sur le tronçon d-e, l'évaporation est telle que le nombre d'a-molécules par unité de volume demeure constant. La pression régnant dans le gaz inerte est ainsi supérieure, au cours de la phase de condensation, à celle régnant au cours de la phase d'évaporation et, par conséquent, comme cela est bien connu, la perte de chaleur vers l'extérieur du fait de la condensation doit être inférieure à celle gagnée du fait de l'évaporation.

A la fig. 5, on a représenté en abscisse le volume v du liquide 2 dans le processus à cycle fermé décrit en référence à la fig. 4 et, comme précédemment, on a représenté en ordonnée la pression totale p, c'est-à-dire la pression du liquide. A la fig. 5, les points a', b', c', d', e' correspondent aux points a, b, c, d, e, de la fig. 4.

Il est remarquable de constater qu'un processus tel que celui indiqué par le graphique de la fig. 4 pourrait théoriquement être possible à la pression la plus faible recherchée pour le gaz inerte. Toutefois, plus faible est cette pression, plus difficile est le processus à réaliser. D'autre part, la pression ne peut pas excéder une certaine valeur ou bien l'ammoniac ne se condense pas. L'ammoniac n'a évidemment été choisi qu'à titre d'exemple.

Le processus représenté aux fig. 3 et 4 peut également être expliqué d'une autre et, peut-être, plus simple façon. On commence le processus au point e à la fig. 4. On a le cylindre 1 et le piston 15 (fig. 3). Au fond du cylindre 1 se trouve une faible quantité qx d'ammoniac liquide. Ainsi, le volume entre le liquide et le piston ne contient que des a-molécules de l'ammoniac gazeux du mélange. On pose une mince feuille d'or sur la surface du liquide. On amène ensuite par pompage de l'hélium, par exemple, dans la chambre, la pression totale s'élevant alors par exemple à 200 atm. L'échappement de P-molécules à l'état gazeux est empêché par la feuille d'or. Tout cela a lieu à une tempérautre constante, par exemple la température ambiante. On enlève alors la feuille d'or. Les p-molécules se dispersent immédiatement à l'état gazeux. La quantité de liquide qx est choisie de sorte que, lorsque l'équilibre est atteint, presque tout le liquide est évaporé, et qu'il ne reste qu'une quantité très faible, quoique non infinitésimale, de liquide au fond de la chambre. La position du piston est jusqu'à présent demeurée inchangée. Comme énoncé précédemment en liaison avec le principe de Le Châtelier, lorsque l'évaporation a lieu, la pression totale diminue. Ainsi quand l'équilibre est atteint, le volume total étant demeuré constant, la pression totale a baissé de e à a sur la courbe de la fig. 4.

On fait descendre alors le piston 15. Il importe de noter qu'en accord avec ce qui a été dit précédemment, cela peut être effectué à n'importe quelle pression choisie dans une large gamme. L'ammoniac se condense. Le point c de la fig. 4 est choisi de sorte que, lorsqu'il est atteint, la quantité exacte qx d'ammoniac s'est condensée. On pose alors la feuille d'or une fois encore sur la surface du liquide et on laisse ensuite le piston revenir à sa position d'origine. Il est clair que l'on a maintenant atteint le point e où le processus a été mis en route. Une fois encore, on enlève la feuille de sorte que des p-molécules se dispersent immédiatement à l'état gazeux. Lorsque l'équilibre a été atteint, et que seulement demeure une très faible quantité de liquide, quoique non infinitésimale (en accord avec ce qui vient d'être dit), on parvient au point a. L'énergie ainsi dégagée (travail effectué) correspond à la surface e-a-c-e.

Au cours du processus thermodynamique à cycle fermé qui vient d'être décrit, on a supposé que la substance A qui oscille entre l'état gazeux et l'état liquide était de l'ammoniac. Toutefois, de nombreuses autres substances peuvent être choisies. Le pro-, pane (C3H8) est l'une de celles-ci. Sa relation pression-tempéra-ture, c'est-à-dire sa courbe p-t, coïncide approximativement avec celle de l'ammoniac. Son poids moléculaire ainsi que sa densité de vapeur sont supérieurs et son poids spécifique à l'état liquide est inférieur à celui de l'ammoniac. Ces caractéristiques contribuent à abaisser considérablement la pression totale régnant dans le dispositif. D'autres substances convenables A ainsi que d'autres gaz inertes B peuvent facilement être trouvés à l'aide de tables de considération physique.

Le dispositif peut présenter de nombreux conduits, tels que 6, 7, 8 et 10 de la fig. 2, disposés autour de l'axe de rotation. D'une autre manière, comme on le voit plus loin par analogie aux fig. 13 et 14, tous les conduits participant à l'échange thermique, quelle que soit la forme géométrique qu'ils peuvent présenter en section, doivent être suffisamment étroits pour obtenir un coefficient élevé de transmission thermique entre le courant de gaz — ou de vapeur — et les parois pleines.

Même si la circulation se produit dans le système d'une manière spontanée, il peut être utile de commander la circulation par deux pompes, une pour le liquide et une pour le gaz. Des pompes sont donc incorporées dans le système hermétiquement clos et n'absorbent ainsi aucune énergie, sauf celle des pertes par friction. Elles sont commodément entraînées par des moteurs triphasés à induction dont les armatures sont également incorporées à l'intérieur du système.

De la chaleur peut être prélevée du dispositif hermétiquement clos à l'aide des moyens représentés avec plus de détails en rapport avec la fig. 13 et qui sont fixés au dispositif pour tourner avec lui. Si ceux-ci tournent sous une pression d'air très faible, on peut éviter toutes les pertes inutiles par friction. Ces moyens, dont la technologie est familière au spécialiste, ne nécessitent pas d'être hermétiquement clos. Une huile liquide y est entraînée ou y circule.

Si de la chaleur doit être transférée depuis la haute température du système hermétiquement clos jusqu'à sa basse température, cela peut être réalisé au moyen d'un moteur à vapeur ordinaire qui fournit un travail utile.

Dans les processus à réduction d'entropie décrits ci-dessus, il a été mentionné que le trajet de diffusion de la substance A à travers la substance B est très court. D'autres processus de ce genre peuvent être mentionnés, dans lesquels le trajet de diffusion est beaucoup plus important. Ceux-ci sont maintenant décrits en référence aux fig. 6 à 15.

La fig. 6 représente un récipient 21 hermétiquement clos fabriqué en une matière appropriée, par exemple en acier. Le récipient contient un vase 22 réalisé en une autre matière appropriée telle qu'un verre présentant une faible conductivité thermique. On suppose que le fond 22a du vase 22 est en verre poreux, en faïence ou en toute autre matière appropriée de ce genre. Le vase est posé sur une plaque poreuse mince 23 qui recouvre le fond du récipient 21. Il est ainsi réalisé un contact étroit entre les corps 22a et 23. On suppose également que le vase 22 est rempli presque jusqu'au bord du liquide approprié 24, à savoir la substance A. La surface supérieure du liquide 24 est indiquée par y" qui désigne également un niveau. Le rebord 22b du vase et la surface y" sont très proches du sommet 21a du récipient 21. La substance A peut être du propane (C3H8), de l'ammoniac (NH3), de l'eau ou toute autre substance appropriée. Le volume restant 25 du récipient 21 contient évidemment un mélange du gaz ou de la vapeur de la substance A et de la substance B à l'état gazeux. Cette dernière est un mélange de gaz lourd inerte d'hexafluorure de soufre (SFö) et de xénon (Xe). L'ensemble du dispositif se trouve à la température ambiante To et est soumis à un champ de forces ng dans lequel g représente l'accélération de la pesanteur et n un facteur variable. On suppose que de la chaleur Q peut quitter le dispositif seulement à travers la plaque poreuse 23 et y entrer seulement à travers la surface y" du liquide comme cela est indiqué par des flèches. La pression partielle de B est choisie de sorte que le poids spécifique moyen du mélange gazeux se trouvant dans la chambre 25 soit égal au poids spécifique du liquide 24. Lorsque B est composé desdites substances SFô et Xe, cette pression partielle est de l'ordre de 100 atm.

On suppose que la valeur de n est entre 60000 et 100000, ce qui est facilement obtenu par centrifugation. On suppose, pour des raisons pratiques, que le champ de forces ng est le même dans

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tout le volume interne du récipient 21. On suppose finalement que la substance A est du propane (C3H8), lequel présente un poids moléculaire ou une densité de vapeur suffisamment élevés et un poids spécifique suffisamment élevé à l'état liquide.

Pour des raisons qui sont exposées un peu plus loin, en se référant aux fig. 7 et 8, on a le droit de supposer que ce qui suit peut avoir lieu. Le propane s'évapore, sous la pression partielle p" de la surface y" et sa température à l'équilibre dynamique est T2. Le champ de forces ng oblige les vapeurs de propane à diffuser vers le bas à travers le gaz inerte (SF<5 et Xe) dans la chambre 25, après quoi il se condense, sous la pression partielle p', sur la plaque 23, et sa température à l'équilibre dynamique est Ti. On a alors p'<p" et Ti <T2. Dans ce processus, de la chaleur passe d'elle-même d'une température inférieure à une température supérieure, car aucune énergie n'est pratiquement nécessaire pour maintenir le champ de forces ng à une valeur pratiquement constante (on néglige les faibles pertes par friction). Comme on vient de le dire, cela est cependant une simple supposition. Mais en considérant les fig. 7 et 8, on commence à voir à quel point cette supposition est probablement en accord avec la réalité.

On désigne maintenant une fraction de la pression p' en tant que p'P et une fraction de la pression p" en tant que p"ß. L'existence de ces pressions partielles est analogue aux conditions déjà décrites en liaison avec les fig. 1 à 5, c'est-à-dire que des p-molécules de propane sont obligées de passer de l'état liquide à l'état gazeux par l'intermédiaire du gaz inerte. Il est clair que p'P est supérieur à p"P, car la pression du gaz inerte due à l'action du champ de forces ng est plus grande en bas sur la plaque 23 qu'en haut à la surface y". Cette différence p'P—p"ß tend à abaisser la température Ti au voisinage immédiat du dessus de la plaque 23 ou, autrement dit, les molécules de propane descendant de la surface y" ont de la difficulté à pénétrer dans la zone se trouvant immédiatement au-dessus de la plaque 23, car une partie de la place est déjà prise par les P-molécules qui engendrent une pression p'p. Ce phénomène semble indiquer que les poids moléculaires des substances A et B pourraient être choisis relativement l'un par rapport à l'autre de manière à éliminer l'effet de transfert d'énergie que l'on cherche à obtenir.

En tant qu'exemple de substance A, on a fait appel au propane (C3H8), dont on a mentionné le poids moléculaire relativement élevé. Il est toutefois considérablement inférieur à celui de l'hexafluorure de soufre et du xénon, dont le mélange a été cité en tant qu'exemple de substance B. On va maintenant remplacer ce dernier mélange par de l'hydrogène, ou de l'hydrogène et de l'azote (H2, N2). La pression régnant dans le dispositif qui était précédemment de l'ordre de 100 atm est évidemment plusieurs fois plus élevée, car le poids de la colonne de gaz se trouvant dans la chambre 25 doit être égal à celui de la colonne liquide dans le vase 22. U est maintenant plus facile de voir que les vapeurs de propane diffusent à travers le gaz inerte vers la plaque 23 et se condensent sur cette plaque à une température Ti plus élevée que la température T2 à laquelle le propane s'est évaporé de la surface y". On peut estimer que cela est exact, car l'hydrogène et l'azote sont tous deux considérablement plus légers que le propane. Pour des raisons analogues, on peut voir que la diffusion de A s'effectue en sens contraire de la direction du champ de forces ng, c'est-à-dire que l'évaporation à température basse a lieu sur la plaque 23 et la condensation à température élevée a lieu sur la surface y", si on change simplement le propane pour de l'ammoniac (NH3) qui présente un bas poids moléculaire et si on utilise SFö et Xe comme précédemment pour le milieu inerte B. Dans ce cas, la force engendrée par les P-molécules agit dans la même direction que la diffusion.

Cela étant dit au sujet de la fig. 6, une explication détaillée supplémentaire est impossible à cause du manque de données expérimentales. Toutefois, la fig. 6 sera clairement comprise après discussion des fig. 7 et 8, en partie parce qu'elle est étroitement reliée à celles-ci et en partie parce qu'une description de celles-ci n'est pas gênée par un manque quelconque de données expérimentales et théoriques dans le cas où la diffusion de A à travers B a lieu dans la direction contraire au champ de forces ng.

Le récipient 30 de la fig. 7 correspond au récipient 21 de la fig. 6. Dans le récipient 30 se trouve un vase 31. La cloison 34 divise l'intérieur du vase en deux compartiments 35a et 35b. Ceux-ci communiquent entre eux par l'ouverture 36 prévue au bas de la cloison 34 et par l'ouverture 37 prévue en haut de la cloison 34 qui n'atteint pas tout à fait le bord du vase 31. Du fond du vase 31 sort un conduit 38 court qui atteint presque le fond 30' du récipient 30. Des chambres ou conduits 35a et 35b peuvent former, avec la cloison 34, un échangeur de chaleur 35. L'intérieur du récipient 30 à l'extérieur du vase 31 est divisé en deux compartiments par une paroi 40, une chambre supérieure 30a et une chambre inférieure 30b, chambres qui sont réunies seulement par la pompe à gaz ou compresseur 41. Le fond du vase 31 est recouvert d'une plaque poreuse 42 dont la surface supérieure est elle-même recouverte d'un revêtement semi-perméable ou d'une membrane 44 qui est hermétiquement scellée à la surface interne du vase 31.

A ce sujet, on peut mentionner qu'il est connu qu'un liquide, qui n'est pas soluble ou est très peu soluble dans le liquide avec lequel il est en contact, peut agir en tant qu'organe semi-per-méable. Toutefois, du moins pour l'instant, on peut supposer que la membrane 44 est une membrane ordinaire, à savoir un corps solide.

Le vase 31 est presque complètement rempli d'un liquide convenable dont la surface libre y" (que l'on appelle également niveau) se trouve entre le bord supérieur de la cloison 34 et le rebord dudit vase. Ce liquide occupe également les pores de la membrane semi-perméable 44 et de la plaque poreuse 42 ainsi que le conduit 38 et, en tant que couche mince, le fond de la chambre 30b jusqu'au niveau y' qui peut également être considéré comme la surface libre du liquide dans cette chambre. On suppose préalablement que les deux dites surfaces libres du liquide sont maintenues par des moyens convenables aux niveaux constants y' et y". A part le volume occupé par le liquide, la totalité du récipient 30 contient un gaz ou une vapeur de liquide. On suppose seulement, à titre d'exemple, que le liquide est de l'ammoniac.

La température de la partie supérieure du récipient 30 peut être appelée T2, celle de la partie inférieure Ti et celle de l'extérieur To. Tout le dispositif est soumis à un champ de forces ng dans la direction indiquée par la flèche.

On prend d'abord n= 1, c'est-à-dire que le dispositif n'est soumis qu'à la force de gravitation, avec maintien de la température ambiante partout, Ti = T2=To. On laisse maintenant la température Ti s'élever à par exemple 50° C et on laisse la température T2 s'abaisser à par exemple —10°C; en faisant cela, on doit élever n de 1 à une valeur que l'on appellera no, laquelle est précisément suffisante pour maintenir constants les niveaux y' et y" de liquide. La pression de vapeur p' de l'ammoniac dans la chambre 30b est celle obtenue à la température Ti prise à titre d'exemple, c'est-à-dire 50° C, et la valeur de p' reste constante au cours de la discussion qui suit. D'autre part, comme on le voit maintenant, la pression de vapeur p" régnant au-dessus de la surface y" varie. A cet instant évidemment, p" est la pression de vapeur de l'ammoniac liquide à la température T2 prise à titre d'exemple, c'est-à-dire —10° C. Afin de maintenir la valeur de Tj et de T2, on met maintenant en marche la pompe ou le compresseur 41. Des vapeurs d'ammoniac sont pompées de la chambre 30a à la pression p" pour être amenées vers la chambre 30b à la pression p'. L'ammoniac bout et s'échappe de la surface y" du liquide en absorbant de la chaleur et se condense à la surface y' du liquide en émettant de la chaleur. Le liquide formé par la condensation à la température Ti s'écoule à l'opposé du champ de forces ng par le conduit 38, les plaques poreuses 42 et 44 ainsi que par les conduits 35a et 35b pour atteindre finalement la température basse T2 où il se transforme en vapeur. Le dispositif fonctionne exactement comme un réfrigé5

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rateur ordinaire à compresseur. On suppose maintenant que le cycle a lieu sans perte et que le travail nécessaire, fourni seulement au compresseur 41, présente en conséquence la valeur minimale donnée par l'équation de Carnot, et cette énergie est appelée Le. Il doit être mentionné que, pour que le cycle ait lieu sans perte, le liquide doit passer de Ti à T2 par un processus réversible qui fournit un faible travail au compresseur 41. Cette considération est élémentaire et ne doit par conséquent pas être amplifiée.

Le compresseur ou pompe à gaz 41 pourrait être remplacé par une pompe à liquide au moyen de laquelle de l'ammoniac liquide dans la chambre 30b serait envoyé dans le vase 31 et, dans ce cas, la pression de gaz p' serait engendrée seulement par le champ de forces ng agissant sur le gaz de la chambre 30a et, si T2 est constant, Ti serait clairement une fonction de n.

On va maintenant voir comment on peut diminuer l'énergie perdue, ou faire en sorte qu'elle soit inférieure à Le sans, évidemment, réduire la quantité de chaleur qui doit être transférée de la température la plus basse T2 à la température la plus haute Ti. On dissout alors dans l'ammoniac liquide se trouvant dans le vase 31 une substance telle qu'un sel ou un mélange de deux sels, par exemple LÌO3, NaJ, KJ, NH4NO3, KNO3, KNO2. Cette substance peut évidemment être également un liquide qui est totalement ou partiellement soluble dans la substance A (par exemple NH3). Toutes ces substances ont un poids moléculaire considérablement plus élevé que celui de l'ammoniac. On doit évidemment s'assurer que l'addition de sels ne provoque pas un volume de liquide trop important dans le vase 31. On fait en sorte, d'une manière quelconque, que le liquide circule à travers l'échangeur de chaleur dans la direction indiquée et on suppose qu'aucune perte de chaleur ne se produit, c'est-à-dire qu'il a une efficacité absolue. Le sel dissous présente une pression osmotique élevée qui tend à attirer, du liquide de la chambre 30b à travers la membrane 44. Afin de maintenir un équilibre tel que le niveau de liquide y' de la chambre 30b et le niveau du liquide y" dans le vase 31 restent constants, on fait croître la valeur du facteur n par exemple de no à ni. De l'énergie est alors dégagée dans l'échangeur de chaleur 35 car le liquide s'écoulant vers le haut à travers le conduit 35a contient un peu plus d'ammoniac et, par conséquent, présente un poids spécifique plus faible, que le liquide s'écoulant vers le bas dans le conduit 35b. Toutefois, théoriquement, cette énergie peut être retenue et passer vers le compresseur 41. Pour cette raison, ainsi que pour d'autres raisons physiques qui ne nécessitent pas d'être décrites, on peut négliger ce phénomène, c'est-à-dire qu'on peut supposer raisonnablement que l'énergie dissipée par l'échangeur de chaleur est nulle ou, dans le cas de combinaisons autres que de l'ammoniac et un sel, que l'énergie consommée par l'échangeur est de même nulle. L'appareil décrit fonctionne d'une manière équivalente à un réfrigérateur à résorption ordinaire et il s'ensuit que, comme aucune perte irréversible ne se produit, l'énergie qui doit être transférée vers le compresseur 41 reste constante ou égale à Lc. Comme la pression de vapeur p' de l'ammoniac pur se trouvant au-dessus de la surface y' reste constante, Ti étant constant, et que l'énergie requise par le processus de Carnot reste également inchangée, T2 et la quantité de chaleur devant être transférée de T2 à Ti étant également constante, alors la pression se trouvant immédiatement au-dessus du compresseur, c'est-à-dire la pression Px, ainsi que le facteur p'-px qui est proportionnel au travail, doivent également rester constants en dépit de l'augmentation du facteur n de no à m. Toutes ces conditions proviennent de l'équation de Carnot et, par conséquent, une preuve physico-chimique n'est pas nécessaire.

On arrête maintenant la circulation du liquide dans l'échangeur de chaleur 35. On maintient inchangé le facteur n à sa valeur m. La concentration en sel immédiatement au-dessus de la membrane 44 s'élève alors du fait de la diffusion du sel vers le bas sous l'influence du champ de forces ng. La faible quantité d'ammoniac liquide se trouvant au fond de la chambre 30b, dans le canal 38 et dans la plaque poreuse 42, est maintenant tirée vers le haut à travers la membrane 44 dans le vase 31. Le gaz ammoniac fait contact avec le dessous de la membrane 44 et le liquide remplissant chaque pore de la membrane acquiert une surface concave dirigée vers le bas, à savoir vers la chambre 30b. Ces surfaces sont concaves car, si des ménisques n'étaient pas formés dans les pores dirigés vers le bas de la membrane 44 en absence de diffusion, elles seraient planes, la surface y' étant plane. Lorsque la diffusion a lieu, une pression osmotique se produit et les ménisques doivent devenir concaves pour la supporter. La pression de gaz p' baisse en conséquence. La concentration en sel dans la partie supérieure du vase diminue du fait de la diffusion du sel vers le bas sous l'influence du champ de forces ng. Il en résulte que la pression gazeuse p" augmente et, avec elle, la pression gazeuse px. Ainsi la différence entre p' et px est réduite et, en conséquence, une énergie inférieure doit être fournie au compresseur pour qu'il déplace la même quantité de chaleur de T2 à Ti. Cette énergie, que l'on appelle Lp, est ainsi inférieure à Lc.

Quand T2 est égal à Ti, px est supérieur à p' et le compresseur fonctionne alors en tant que moteur en fournissant un travail mécanique. Cela signifie également que Lp<0. Il ressort de cela que, à une certaine différence entre Ti et T2, Lp est égal à zéro. Pour illustrer cette condition avec plus de détails, on suppose maintenant que le dispositif fonctionne en tant que réfrigérateur à résorption. Le liquide circule dans l'échangeur de chaleur 35. On suppose Ti = T2- Le dispositif pompe de la chaleur de T2 à Ti mais, comme Ti = T2, donc AT=O, l'énergie requise par la pompe est égale à zéro, en accord avec les lois ordinaires concernant la thermodynamique. Ainsi px=p'. On arrête maintenant la circulation du liquide dans l'échangeur de chaleur 35. La diffusion du sel fait tomber la pression p' et augmenter les pressions p" et px. Ainsi, px>p' et le compresseur 41 fonctionne alors en tant que moteur ou machine à vapeur. A une certaine valeur de Ti, px=p'. Le dispositif ne fournit alors aucun travail, c'est-à-dire que le compresseur 41 ne fonctionne plus en tant que moteur et que le dispositif devient seulement un réfrigérateur.

Dans le cas où il n'y a pas de circulation dans l'échangeur de chaleur (comme dans le paragraphe précédent), la cloison 34 peut être supprimée et le vase 31 peut contenir, au lieu de l'ammoniac, un mélange de deux liquides de solubilité limitée.

A la fig. 7 ledit point u" se trouve à la surface supérieure de la membrane 44 tandis que ledit point u' coïncide avec la surface y".

La fig. 8 ne diffère que peu de la fig. 7. Deux conduits 52 et 53 partent du fond du vase 31 jusqu'au fond du récipient 30. Dans chacun de ces conduits se trouve une pompe à liquide 52a et 53a respectivement. L'une de celles-ci, par exemple la pompe 52a, évacue du liquide provenant du vase 31 tandis que l'autre, 53a, introduit du liquide dans ce vase de sorte que les niveaux de liquide y' et y" restent inchangés. On suppose que le liquide est une solution de sel et d'ammoniac. Ce liquide circule dans l'échangeur de chaleur 35, le compresseur 41 fonctionne et le champ de forces ng agit. L'ammoniac est absorbé à la surface y' et ensuite envoyé vers le vase 31 par la pompe à liquide 53a. De la chaleur est émise à la température plus élevée Ti et absorbée à la température plus basse T2. Le processus est supposé être réversible et ainsi l'énergie perdue est identique à la valeur donnée par Carnot, à savoir Lc, c'est-à-dire la différence de l'énergie demandée par 53a et de l'énergie fournie par 52a additionnée de l'énergie demandée par le compresseur 41. Cette différence est presque exactement égale à l'énergie LA nécessaire pour pomper la quantité d'ammoniac à l'état liquide (substance A) depuis la surface y' vers le fond du vase 31. Elle est exactement égale à La—A'L, où A'L est un terme correctif dépendant d'une certaine diminution de volume qui a lieu lorsque l'ammoniac liquide se mélange à la solution saline liquide. La concentration moyenne de cette dernière peut être désignée par C'. On arrête maintenant la circulation dans l'échangeur de chaleur 35 et la diffusion commence. La concentration en sel de valeur moyenne C' augmente maintenant au fond du vase 31 pour atteindre C", elle diminue en haut et évidemment elle

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augmente également jusqu'en C" au fond du récipient 30 par l'intermédiaire de la pompe 52a. On suppose maintenant que l'on maintient constante la pression p'. Alors la différence de l'énergie fournie à la pompe 53a et de l'énergie délivrée par la pompe 52a reste également virtuellement inchangée et égale à La puisque, le champ de forces étant constant et uniforme, la pression hydraulique régnant au fond du vase 31 est indépendante de la diffusion. En d'autres termes, comme cela se conçoit de soi-même, une molécule de sel pèse le même poids, qu'elle soit au sommet ou au fond du vase, c'est-à-dire que le poids de liquide se trouvant dans le vase ne dépend pas de la distribution de sel s'y trouvant. La valeur exacte de la différence entre les énergies demandées et fournies par les deux pompes est La — A"L. Le terme correctif A"L est quelque peu plus important que le terme précédent A'L, car C" est supérieur à C'. L'énergie nécessaire provenant des pompes est maintenant légèrement inférieure à ce qu'elle était précédemment, de sorte qu'il est correct de la tenir pour constante. Cela permet de négliger les pompes 53a et 52a dans l'argumentation qui suit.

Si maintenant la pression gazeuse p' doit rester constante comme on l'a indiqué, malgré l'augmentation de la concentration en sel au fond du vase 31 provoquée par la diffusion, la température Ti doit s'élever, à savoir à la valeur 0T1 dans laquelle a> 1. Cependant, si T2 est maintenu constant, par exemple à la température ambiante, la pression gazeuse p" s'élève à cause de la diminution de la concentration en sel dans la partie supérieure du vase 31, qui est causée similairement par la diffusion. Lorsque p" s'élève, px s'élève également et il s'ensuit que, comme p' reste inchangé, le compresseur 41 exige une énergie moindre. Avant que la diffusion commence, l'énergie exigée par le processus était celle donnée par Carnot, c'est-à-dire Le- L'exigence d'énergie est maintenue inférieure à Lc et cela en dépit d'une augmentation de température de Ti à 0T1.

On doit ajouter que la température Ti régnant au fond du récipient 30 doit à proprement parler être considérée comme Ti + AT à gauche du récipient et Ti — AT à droite, expressions dans lesquelles AT est un très petit terme correctif dépendant de ce que la concentration en sel est un peu plus élevée à gauche qu'à droite. Au cours de l'absorption, la concentration en sel décroît de la gauche vers la droite, car on pense que du liquide s'écoule de l'extrémité inférieure du conduit 52. Toutefois, cette variation n'intervient pas dans l'explication théorique accompagnant la fig. 8,

Dans la description des fig. 7 et 8, on a dit que le poids moléculaire de la substance dissoute B (qui comporte un seul sel ou deux sels) était considérablement plus grand que celui du solvant A, à savoir l'ammoniac. Le sel B diffuse par conséquent vers le bas dans le vase 31 sous l'action du champ de forces ng et ensuite ne bouge plus, de sorte que la concentration en sel au fond du vase reste supérieure à celle régnant à la surface y" du liquide tandis qu'en même temps, de l'ammoniac diffuse vers le haut en opposition au champ de forces ng et s'évapore à cette surface.

Cela est clairement ce qui se produit, le cycle étant causé par des phénomènes naturels simples et bien connus. Cependant, si on suppose faire en sorte que la substance soluble B, au lieu d'être du sel, présente un poids moléculaire considérablement plus faible que le solvant, à savoir la substance A, la concentration en B est alors plus grande à la surface y" qu'au fond du vase 31. Il est ainsi probable que le processus fonctionne dans le sens contraire, avec A s'évaporant en dessous, à la surface y' et se condensant ou étant absorbée à la surface y", à une température plus élevée, pour ensuite diffuser vers le bas dans le sens du champ de forces ng à travers la substance B se trouvant dans le vase 31.

Aux fig. 9,10, 11 et 12, qui sont étroitement liées à la fig. 6, on admet que la diffusion de A à travers B se produit dans le sens du champ de forces n, quoique (comme mentionné plus haut), il puisse être commode de renverser le sens. Il suffit de choisir les substances A et B selon les exigences requises.

Un processus selon la fig. 7 peut être combiné avec un processus selon la fig. 6. On suppose par exemple que le liquide de la fig. 7 est un mélange d'ammoniac et d'un sel et que, dans la chambre 30a, se trouve un gaz inerte léger tel qu'un mélange d'azote et d'hydrogène. On suppose également que l'on a supprimé la paroi 40 et le compresseur 41. D'après les considérations qui précèdent, il apparaît probable que le processus, maintenant induit dans le liquide du vase 31, s'associe au processus induit dans le mélange de gaz de la chambre 30a.

Il est bien connu qu'un gaz diffuse à travers un autre gaz (comme à la fig. 6, ainsi qu'aux autres figures étroitement liées à celle-ci, et également aux fig. 1 à 5) avec une résistance beaucoup plus faible que ne le fait un liquide ou un sel à travers un autre liquide (comme aux fig. 7 et 8). Pour cette raison, un processus employant une diffusion entre gaz peut être considéré comme étant techniquement hautement viable.

On revient maintenant à la fig. 6. Le poids spécifique du gaz inerte se trouvant à la partie inférieure de la chambre 25, c'est-à-dire au voisinage de la plaque poreuse 23, est supérieur à celui du liquide. Il existe, par conséquent, un risque que du liquide puisse se rassembler en couches à un niveau quelconque entre le sommet 21a et le fond 23. On peut alors disposer, comme représenté à -la fig. 9, une tige poreuse 62 dont l'extrémité supérieure 62a pénètre dans une petite chambre 63 qui occupe une très petite partie de la chambre 25. La chambre 63 est thermiquement isolée de la partie restante de la chambre 25 par un écran 64. Une petite quantité de chaleur peut être électriquement fournie à l'extrémité 62a de la tige 62 et, par ce moyen, le liquide se trouvant dans ladite couche est aspiré dans la tige et éventuellement s'évapore, les vapeurs étant alors entraînées par le champ de forces ng vers le fond 23 où elles se condensent. Il est toutefois plus simple de faire comme montré schématiquement à la fig. 10. L'intérieur 25 du récipient 21 contient, par exemple, du propane, de l'hexafluorure de soufre et du xénon. La pression du mélange de gaz inerte est suffisamment élevée — quelque chose comme supérieure à 100 atm à la température ambiante — pour qu'une couche mince 55 de propane se trouve toujours à la partie supérieure de la chambre 25. Sous l'influence du champ de forces ng, du propane s'évapore depuis cette couche à une certaine pression partielle p2 et une température T2. Les vapeurs de propane se condensent au bas de la chambre 25 à une certaine pression pi et une température Ti.

Lorsqu'une goutte se forme sur le fond et est assez large pour que sa flottabilité soit plus forte que son adhérence, elle flotte et rejoint la couche liquide 55. Pour faciliter le transfert de chaleur depuis la vapeur se condensant vers le fond du récipient, celui-ci peut être muni d'un grand nombre de petites aspérités 56 en matière conductrice de la chaleur. On les a représentées au dessin avec la pointe dirigée vers le haut et, dans ce cas, les gouttes sont extrêmement petites. Si les gouttes deviennent plus grandes avant de se séparer, les aspérités doivent être émoussées ou avoir une autre forme appropriée. Evidemment, le haut du récipient peut de même être muni d'aspérités pour faciliter le transfert de chaleur vers la couche de liquide 55.

La fig. 11 montre une plaque poreuse 57, par exemple en porcelaine recouvrant le fond du récipient 21. Disposé sur la plaque 57, se trouve un bloc poreux cylindrique 58 en porcelaine ou en une autre matière présentant une faible conductibilité thermique. Une couche de propane liquide se trouvant en haut de la chambre 25 est indiquée en 55 comme à la fig. 10. Du propane liquide passe à travers la plaque poreuse 57, où les vapeurs de propane se sont condensées, à travers le bloc 58 jusqu'en haut du récipient où il rejoint la couche de liquide 55. Ce mouvement se produit puisque le liquide est plus léger que le mélange de gaz (C3H8 + SF6+Xe) dans la chambre 25.

Aux fig. 10 et 11, la température Ti est supérieure à T2, puisque la pression pi est supérieure à p2. De la chaleur passe donc d'elle-même d'une température plus basse à une température plus élevée tant que le champ de forces ng est opérant.

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On n'a pas encore parlé du processus destructeur augmentant l'entropie. On suppose qu'un symptôme d'un tel processus destructeur consiste en ce que la pression et, ainsi, le poids spécifique du gaz inerte (par exemple SFö et Xe) peuvent ne pas être suffisamment grands pour que le propane liquide flotte de lui-même jusqu'en haut de la chambre 25. Le liquide doit alors être pompé sur la dernière partie du trajet par la pompe 70 représentée sché-matiquement à la fig. 12. La pompe 70 est ainsi à la fois une pompe aspirante et une pompe refoulante. Le liquide, maintenant quelque peu plus lourd que le gaz se trouvant dans la partie supérieure de la chambre 25, s'écoule par le tuyau 71 dans le ou les baquets 72 placés à ce niveau. Le liquide s'évapore du baquet 72 à la température la plus basse T2. De la vapeur diffuse vers le bas et se condense sur la plaque poreuse 57 à la température la plus élevée Ti. Il est possible que ce processus destructeur puisse être suffisamment intense pour rendre la théorie de Clausius valable également dans ce cas. Mais il ne peut pas être suffisamment intense qu'on ne puisse obtenir un rendement sensiblement amélioré par rapport à un réfrigérateur ordinaire à compresseur. Comme la condensation sur le fond du récipient a lieu à une pression partielle du mélange de gaz plus élevée que l'évaporation se produisant en haut du récipient, une quantité inférieure de chaleur est émise à la température plus élevée Tj au cours du cycle thermodynamique, ayant été bien établi que la chaleur dégagée par la condensation diminue avec une augmentation de pression du gaz inerte. Il s'ensuit inévitablement, conformément à la première loi, que, pour conserver le processus, une énergie inférieure est maintenant nécessaire.

Il peut être intéressant de remarquer que le gaz inerte ou le mélange de gaz, à savoir la substance B, se conduit en tant que corps semi-perméable qui transporte la substance A lorsque celle-ci est une vapeur ou un gaz, mais non pas lorsque celle-ci est un liquide (fig. 6, 7, 8,9,10,11 et 12).

Conformément aux observations précédentes, le liquide A (par exemple NH3, H2O) peut présenter un poids spécifique plus élevé que le gaz B (par exemple SFô, Xe), mais un poids moléculaire plus faible. La diffusion se produit alors dans le sens opposé au champ de forces ng. A la fig. 10 par exemple, le liquide 55 reste dans ce cas au fond du récipient 21 au lieu de se trouver en haut de celui-ci. Les substances A et B sont choisies en vue de ces exigences. Dans les figures suivantes 13 et 14, les substances A et B sont supposées être choisies pour que la diffusion se produise dans la direction du champ de forces.

La fig. 13 montre schématiquement une réalisation pratique de l'invention. Plusieurs récipients annulaires 211, 212, etc., sont groupés de façon que le fond de l'un constitue le haut du suivant. Le champ de forces ng est produit par rotation comme précédemment. L'axe géométrique de rotation est indiqué en C-C. Chaque récipient forme une chambre annulaire 25', 252, etc., dont l'axe géométrique est le même que ci-dessus. Les chambres contiennent du propane et un gaz inerte. Le champ de forces ng est proportionnel au rayon moyen de chaque chambre, et ainsi la différence de température entre le bas et le haut de la chambre, si toutes celles-ci sont de même hauteur, est la plus faible dans la chambre 251 et la plus grande dans la chambre 255 se trouvant à la périphérie. Les différences de température sont additives. De la chaleur est fournie à une faible température T2 au moyen du liquide s'écoulant dans le conduit R2 et sort à la température supérieure Ti par le conduit Ri. Les extrémités d'entrée et de sortie de ces conduits, destinées à être reliées, de manière connue, à un utilisateur de chaleur, non représenté, se trouvent à proximité immédiate de l'axe de rotation C-C. Pour éviter des pertes inutiles d'énergie, le tout tourne dans un carter, non représenté, soumis à un vide élevé.

La fig. 14 montre, en coupe axiale, un dispositif réalisé suivant le schéma de la fig. 13 et comprenant trois chambres annulaires concentriques et adjacentes 251, 252 et 253. Les deux parois cylindriques 81 de chaque chambre sont en un acier présentant la plus forte résistance possible à la traction. Les deux parois cylindriques de chaque chambre sont réunies à leur deux extrémités par des flasques concaves 81a et 81b respectivement, au moyen de joints de soudure 82 (fig. 15). La paroi intérieure de la chambre 251 la plus proche de l'axe C-C est fixée autour d'un arbre 83, les parois intérieure et extérieure de la chambre 252 étant adjacentes, respectivement, à la paroi extérieure de la chambre 251 et la paroi intérieure de la chambre 253. A chacune de leurs extrémités axiales, les chambres comprennent une isolation thermique sous forme de plots 84 en matériau mauvais conducteur thermique, tel que verre, porcelaine, etc. Ces plots sont de préférence formés de secteurs pour empêcher leur cassure.

Les extrémités 83a et 83b de l'arbre 83 sont montées tournantes dans des paliers que comprend un carter 85 formé de deux flasques 85a et 85b chacun se prolongeant vers l'extérieur par une partie cylindrique 85a' et 85b' respectivement, dont chacune est fermée latéralement de manière à entourer hermétiquement une extrémité de l'arbre 83, et d'une partie cylindrique 85c fixée hermétiquement aux deux flasques par des joints de soudure 86a et 86b respectivement. Le carter 85 est ainsi hermétiquement clos et ne peut communiquer avec l'extérieur que lorsqu'on enlève une vis 87 prévue à son extrémité latérale 85a'.

La paroi extérieure 81 de la chambre annulaire extérieure 253 est adjacente à la paroi intérieure d'un cylindre 89 dont l'épaisseur est supérieure à celle des chambres annulaires et dont la paroi extérieure et la paroi intérieure de la partie cylindrique 85c du carter 85 délimitent un interstice 91.

L'arbre 83 est creux, de sorte qu'il renferme une chambre tubulaire 83c dont l'axe coïncide avec l'axe C-C. Le diamètre de cette chambre 83c augmente à partir du milieu de l'arbre vers les extrémités de celui-ci, et cela jusqu'aux extrémités des chambres annulaires, de sorte que la chambre 83c présente deux parois internes coniques près de chacune de ses extrémités. La chambre 83c est ainsi hermétiquement close et ne peut communiquer avec l'extérieur que lorsqu'on enlève une vis 88 prévue à l'extrémité 83b de l'arbre 83. La chambre 83c contient une petite quantité d'un liquide et de sa vapeur, par exemple de l'ammoniac ou du propane.

Le diamètre de l'arbre 83 est légèrement inférieur au diamètre intérieur des extrémités 85a' et 85b' du carter 85, de sorte que des interstices 90 sont ménagés entre l'arbre et le carter, de préférence de quelques dixièmes de millimètre.

L'espace ménagé entre les parois intérieures du carter 85 et les parois extérieures du rotor formé de l'ensemble comprenant l'arbre 83, le cylindre 89 et les chambres annulaires 251-253, est rempli d'hydrogène. La pression de ce gaz est faible, mais suffisante pour que sa conductivité thermique ne soit pas très inférieure à celle à la pression atmosphérique ; en l'occurrence, elle est de quelques dixièmes de torr.

Les chambres annulaires 25'-253 contienent des substances A et B, en l'occurrence du propane et du mélange de xénon et d'hexafluorure de soufre. Ces substances sont introduites par pompage par un petit embout 82' (fig. 15) que comprend chaque chambre à une de ses extrémités, lequel est ensuite fermé par soudure. Les moyens 58 et 70 (fig. 12) peuvent être utilisés pour effectuer ce pompage.

Le rotor formé de l'arbre 83, du cylindre 89 et des chambres annulaires 25'-253 peut être entraîné à la manière du rotor d'un moteur à induction triphasé dont le stator serait constitué par les extrémités 85a' et 85b' du carter 85.

Le dispositif décrit ci-dessus fonctionne de la manière suivante :

L'ensemble formé de l'arbre 83, du cylindre 89 et des chambres annulaires 251-253 est mis en rotation et une quantité de chaleur Q/2 est amenée, par des moyens appropriés non représentés, aux deux extrémités 85a' et 85b' du carter 85 comme indiqué par des flèches. La chaleur passe par les parois desdites extrémités et par l'hydrogène contenu dans les interstices 90 vers les extrémi5

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tés de l'arbre 83, provoquant l'ébullition de l'ammoniac (ou propane) contenu dans la chambre 83c. L'ammoniac ainsi évaporé se condense sur la partie centrale de la paroi de la chambre 83c et la chaleur dégagée, par exemple à la température T2, est transférée, par le corps de l'arbre 83, à la paroi 81 de la chambre annulaire 251 adjacente à l'arbre 83. L'ammoniac condensé sur la paroi de la chambre 83c s'écoule vers les deux extrémités de celle-ci,

sous l'action de la force centrifuge. La chaleur transmise par l'arbre 83 à la paroi intérieure de la chambre 251 provoque l'ébullition et l'évaporation de l'ammoniac (substance A) contenu dans cette chambre, sa diffusion au travers de gaz inerte (substance B) que contient celle-ci, et sa condensation sur la paroi extérieure de la chambre.

Ainsi, dans chacune des chambres annulaires 251-253, en rotation, donc soumise à la force centrifuge, l'ammoniac s'évapore près de sa paroi plus proche (point u") de l'axe de rotation C-C, sous l'action de la chaleur transmise à cette paroi, et se condense sur sa paroi plus éloignée (point u') de l'axe de rotation C-C. La chaleur dégagée par la condensation sur la paroi extérieure de la chambre 253 est transmise au cylindre 89 et de celui-ci, par l'interstice 91, à la partie cylindrique 85c du carter 85 d'où elle est conduite, par des moyens appropriés, non représentés, à l'endroit de son utilisation et d'où elle est ramenée aux extrémités 85a' et 85b' du carter 85, comme mentionné plus haut. La quantité de chaleur Q prélevée du dispositif, égale à 2 x Q/2, a une température supérieure à celle de la chaleur amenée au dispositif (Q/2).

L'isolation thermique, que constituent les plots 84, retarde la transmission de la chaleur par les flasques 81a et 81b des chambres.

Si la force centrifuge régnant dans la chambre extérieure 253 est de l'ordre de 105 g et que la hauteur de la chambre est de 1 cm, il peut y avoir une différence de température de 5 à 10° C entre le haut et le bas de la chambre. Cette valeur dépend de la température moyenne régnant dans la chambre. Si, dans une chambre,

cette température moyenne est trop faible, on peut choisir comme substance A une substance autre que l'ammoniac ou propane. Ainsi, il peut être préférable de disposer de différentes substances A dans différentes chambres.

s L'énergie qui serait nécessaire pour ramener l'ammoniac ou propane liquide du point de condensation (u") au point d'évapo-ration (u') pourrait être fournie par des moyens connus et de différentes façons connues. Cette énergie doit être introduite dans les chambres annulaires 25!-253 de manière que celles-ci restent her-10 métiquement closes. Cela pourrait être fait à l'aide des moyens électriques ou magnétiques, ou encore à l'aide d'une membrane élastiquement résiliente.

Le dispositif décrit ci-dessus peut constituer une unité de réfrigération ou une pompe à chaleur d'un rendement bien plus élevé 15 que celui des réfrigérateurs et des pompes à chaleur connus.

Il convient de mentionner qu'il y a avantage à choisir la substance A de sorte que sa température critique ne soit pas trop supérieure à la température à laquelle elle doit être utilisée, mais qu'elle ait une valeur techniquement optimale et supérieure à la température d'utilisation. De cette façon, la pression totale régnant dans les chambres annulaires peut être rendue minimale, afin que la différence de température entre le bas et le haut de la chambre soit maximale.

Lorsque la substance B est un gaz inerte tel que SFö et Xe, elle est très légèrement soluble dans la substance A liquide et participe faiblement au cycle de celle-ci, oscillant entre deux états de matière, mais, en général, l'état de matière de la substance B est constant.

La différence de température gagnée par le processus peut être utilisée pour entraîner un moteur à vapeur fournissant du travail. Si le processus a lieu à une température très basse, par exemple inférieure à —100° C, et que du travail soit fourni à cette température, de la chaleur y vient à la température T2. Ce transfert de chaleur peut avoir lieu par l'intermédiaire d'un autre moteur à 35 vapeur qui ainsi fournit également du travail.

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2 feuilles dessins

Claims (8)

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1. Procédé de transfert d'énergie de chaleur au moyen d'un processus thermodynamique cyclique, caractérisé par le fait que l'on crée un milieu hermétiquement clos comprenant une première (A) et au moins une seconde (B) substance, dont la première (A) est capable de passer par des phases liquide et gazeuse au cours de processus que l'on définit dans le milieu par un premier (u') et un second (u") point, à une distance l'un de l'autre et délimitant un chemin de transfert de la chaleur, que l'on soumet le milieu à une force supérieure à celle de gravitation de manière à créer un gradient de pression entre les deux points (u', u"), que l'on provoque un changement de phase de la première substance (A) du premier point (u'), de manière à séparer les deux substances (A, B) et à permettre au milieu de libérer de la chaleur au premier point (u'), que l'on provoque un nouveau changement de phase de la première substance (A) au second point (u") de manière à recombiner les deux substances, à permettre au milieu d'absorber de la chaleur au second point (u") et à la première substance (A) de retourner au premier point (u'), par diffusion au travers de la seconde substance (B), le tout de manière à obtenir un transfert d'énergie de chaleur du second point (u"), où la première substance s'évapore, au premier point (u'), où elle se condense.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la force est une force d'accélération.

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REVENDICATIONS

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé par le fait que la force d'accélération est une force centrifuge.

4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la première substance (A) est une des substances suivantes : NH3 et CjHs, et que la seconde substance (B) est au moins un des gaz inertes suivants : SFg, Xe, N2 et H2.

5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les première (A) et seconde (B) substances sont choisies de manière que la seconde (B) soit perméable à la première (A).

6. Dispositif pour la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend une série de chambres annulaires (25'-253) adjacentes et hermétiquement closes, en matériau bon conducteur thermique, montées autour d'un arbre creux (83) et entourées d'un cylindre (89) adjacent à la chambre extérieure (253) et en matériau bon conducteur thermique, chaque chambre étant munie, à chacune de ses extrémités axiales, d'une isolation thermique (84), l'ensemble ainsi formé étant monté rotatif à l'intérieur d'un carter (85) hermétiquement clos de manière que des interstices (90, 91) soient ménagés entre le carter (85) et ledit ensemble, chaque chambre (251-253) et le creux (83c) de l'arbre contenant un mélange desdites première (A) et seconde (B) substances, les interstices (90, 91) étant remplis d'hydrogène, des moyens étant prévus pour amener de la chaleur à chacune des deux extrémités axiales (85a', 85b') du carter (85) entourant, respectivement, les deux extrémités de l'arbre (83), et pour prélever de la chaleur à la surface cylindrique (85c) du carter entourant ledit cylindre (89).

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que les première (A) et seconde (B) substances sont respectivement le propane et un gaz inerte.

8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le gaz inerte est un mélange de SFß et de Xe.