FR2846032A1 - Moteur a vapeur - Google Patents
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Abstract
Un moteur à vapeur augmentant le rendement et empêchant la corrosion, l'abrasion et autres phénomènes analogues dans une pièce exposée à la pression de la vapeur. Un réchauffeur (12) et un refroidisseur (13) sont disposés d'un côté d'un réservoir à fluide (11) en forme de U, et un piston (14) est disposé de l'autre côté pour la sortie. Le réchauffeur (13) réchauffe le fluide de travail afin de le vaporiser. La pression de détente de la vapeur du fluide de travail fait baisser le niveau du fluide dans un premier tube vertical (11b). Le composant liquide du fluide de travail s'écoule du premier tube vertical (11b) vers un second tube vertical (11c), appliquant ainsi une pression au piston (14) dans une direction ascendante. Ensuite, le composant liquide du fluide de travail fonctionne à la manière d'un piston liquide recevant directement la pression de détente de la vapeur, de sorte qu'il est possible d'éviter les phénomènes de corrosion, d'abrasion et autres phénomènes analogues dans la pièce exposée à la pression de la vapeur.
Description
<h
MOTEUR A VAPEUR
La présente invention se rapporte à un moteur à vapeur
qui convertit l'énergie thermique en énergie mécanique.
Une installation motrice thermique ou autre installation similaire utilise un moteur à vapeur basé sur un cycle de Rankine, dans lequel une vapeur générée et surchauffée est détendue de façon isentropique dans une turbine à vapeur pour extraire de l'énergie mécanique. 10 Ensuite, la vapeur détendue dans la turbine à vapeur est refroidie et condensée. Le liquide condensé est compressé de façon isentropique et réchauffé afin d'être vaporisé, de
façon à générer de nouveau de la vapeur surchauffée.
Dans le moteur à vapeur décrit ci-dessus, le degré de 15 surchauffe de la vapeur augmente avant la détente afin d'éviter qu'une partie de la vapeur ne se liquéfie sous l'effet d'une diminution de la sécheresse du fluide de travail dans la turbine à vapeur, lorsque la vapeur y est détendue de façon isentropique. Toutefois, ainsi que le montre le diagramme en T (diagramme température-entropie) de la Figure 12, il est difficile d'empêcher totalement la
formation de gouttelettes d'eau dans la turbine à vapeur.
Lors d'un processus de conversion de l'énergie de détente de la turbine à vapeur ou autre installation 25 analogue en énergie mécanique, la formation de gouttelettes d'eau entraîne la corrosion et l'abrasion de pièces exposées à la pression de la vapeur, telles qu'une aube de turbine, un piston, et autres éléments analogues. En conséquence, dans un moteur à vapeur (une installation de 30 force motrice) utilisant le cycle de Rankine, la vapeur doit généralement être détendue de façon à ce que la sécheresse ne diminue pas jusqu'à être inférieure ou égale à 90%. Il est donc difficile d'augmenter l'énergie mécanique tirée de l'énergie thermique, c'est-à-dire de
convertir l'énergie avec un bon rendement.
En considérant le problème décrit ci-dessus, un but de la présente invention est de fournir un nouveau moteur à 5 vapeur pouvant résoudre les problèmes de corrosion, abrasion et problèmes analogues dans les pièces exposées à
la pression de la vapeur.
Afin d'atteindre l'objectif précité, la présente invention, conformément à un premier aspect, est un moteur 10 à vapeur destiné à convertir l'énergie thermique en énergie mécanique au niveau d'un dispositif de sortie. Le moteur à vapeur est composé d'un réservoir à fluide (11) pour contenir un fluide pouvant s'écouler, un réchauffeur (12) pour chauffer le fluide contenu dans le réservoir à fluide 15 (11), et un refroidisseur (13) pour refroidir la vapeur qui
est vaporisée en étant réchauffée par le réchauffeur (12).
Le refroidisseur (13) est disposé au-dessous du réchauffeur (12) dans la direction de l'accélération due à la pesanteur. La pression de détente de la vapeur déplace un 20 liquide en écoulement afin de produire l'énergie mécanique.
Le refroidisseur (13) refroidit et liquéfie la vapeur afin de déplacer le fluide contenu dans le réservoir à fluide
(11) par vibration auto-induite.
En conséquence, étant donné que le composant liquide 25 du fluide fonctionne à la façon d'un piston liquide recevant directement la pression de détente de la vapeur, il est possible en principe d'empêcher les phénomènes de corrosion, abrasion et phénomènes analogues dans les pièces exposées à la pression de la vapeur. Puisque le composant 30 liquide du fluide, soit le piston liquide, reçoit la pression de détente de la vapeur, il est inutile d'utiliser un moyen visant à augmenter le degré de surchauffe de la vapeur à l'avance afin d'empêcher la formation de gouttelettes sous l'effet d'une diminution du degré de surchauffe lorsque la vapeur se détend. En conséquence, il est possible d'augmenter la conversion d'énergie jusqu'à
atteindre le rendement d'un cycle de Carnot.
Le présent aspect de l'invention permet d'augmenter le rendement énergétique de conversion jusqu'à atteindre le rendement d'un cycle de Carnot sans produire de vapeur surchauffée, et ne s'oppose pas à la production de vapeur surchauffée. Conformément à un second aspect de la présente invention, le moteur à vapeur comprend un dispositif d'excitation (15) qui est disposé sur l'un des côtés du réchauffeur (12). Le dispositif d'excitation (15) applique une force d'excitation périodique au fluide contenu dans le 15 réservoir à fluide (11). Ainsi, il est possible de retirer de l'énergie mécanique en tant que produit de la conversion énergétique avec un bon rendement, en utilisant la
résonance du fluide.
Conformément à un troisième aspect de la présente 20 invention, la force d'excitation est une force de réaction d'un gaz comprimé chargé dans une enceinte étanche aux gaz, et le dispositif d'excitation (15) applique la force d'excitation au fluide contenu dans le réservoir à fluide (11). Conformément à un quatrième aspect de la présente
invention, le dispositif d'excitation (15) applique une force au fluide contenu dans le réservoir à fluide (11) selon un cycle déphasé par rapport à un cycle de la vibration auto-induite générée dans le réservoir à fluide 30 (11).
Ainsi, étant donné que la durée pour l'échange thermique entre le réchauffeur (12) ou refroidisseur (13) et le fluide est prolongée, le niveau d'échange thermique entre le réchauffeur (12) ou refroidisseur (13) et le fluide augmente. Il est donc possible d'augmenter le rendement d'exploitation, c'est-à-dire le rendement
énergétique de conversion, du moteur à vapeur.
Conformément à un cinquième aspect de la présente
invention, le dispositif d'excitation (15) applique une force au fluide contenu dans le réservoir à fluide (11) selon un cycle déphasé d'un quart de cycle par rapport à un cycle de la vibration auto-induite générée dans le 10 réservoir à fluide (11).
Conformément à un sixième aspect de la présente invention, le dispositif d'excitation (15) comprend une première chambre à gaz (15) destinée à contenir un gaz pour l'application directe de la force d'excitation au fluide 15 contenu dans le réservoir à fluide (11) et une seconde
chambre à gaz (15a) raccordée à la première chambre à gaz (15) via un dispositif d'étranglement (15b) visant à produire une résistance à l'écoulement prédéterminée.
Ainsi, étant donné que la durée pour l'échange thermique 20 entre le réchauffeur (12) ou refroidisseur (13) et le
fluide est prolongée, le niveau d'échange thermique entre le réchauffeur (12) ou refroidisseur (13) et le fluide augmente. Il est donc possible d'augmenter le rendement d'exploitation (le rendement énergétique de conversion) du 25 moteur à vapeur.
Conformément à un septième aspect de la présente invention, un régénérateur (16) est disposé entre le réchauffeur (12) et le refroidisseur (13). Le régénérateur échange de la chaleur dans le fluide contenu dans le 30 réservoir à fluide (11). De l'énergie thermique qui est
fournie au fluide par le réchauffeur (12), seule l'énergie de la pression de la vapeur, soit l'énergie de la pression de détente, est retirée en tant qu'énergie mécanique.
L'énergie thermique absorbée du fluide par le refroidisseur
(13) ne peut être retirée en tant qu'énergie mécanique.
Dans la présente invention, au contraire, étant donné que le régénérateur (16) destiné à échanger de la chaleur 5 dans le fluide est disposé entre le réchauffeur (12) et le refroidisseur (13), le fluide vaporisé se détend et s'écoule du réchauffeur (12) vers le refroidisseur (13) tout en fournissant de la chaleur au régénérateur (16). Le fluide refroidi par le refroidisseur (13), d'autre part, 10 s'écoule du refroidisseur (13) vers le réchauffeur (12) lors de sa détente, tout en étant chauffé par le régénérateur (16), sa source de chaleur étant la chaleur
fournie au régénérateur (16).
En conséquence, dans la présente invention, l'énergie 15 thermique est réutilisée pour le chauffage, bien qu'elle
ait été relâchée dans l'atmosphère en tant rejet thermique par le refroidisseur (13). La quantité d'énergie thermique chargée dans le moteur à vapeur est réduite, de sorte qu'il est possible d'augmenter le rendement d'exploitation 20 (rendement énergétique de conversion) du moteur à vapeur.
Conformément à un huitième aspect de la présente invention, le réservoir à fluide (11) présente approximativement une forme en U de façon à ce qu'un tube coudé (lia) soit positionné dans la partie inférieure de ce 25 dernier. Le liquide se déplace en avant et en arrière dans
le tube coudé (lia) sous l'effet de l'excitation autoinduite.
Conformément à un neuvième aspect de la présente invention, le réservoir à fluide (11) présente une forme à 30 double cylindre de façon à avoir un cylindre extérieur (lld) et un cylindre intérieur (lie) raccordés l'un à l'autre dans leur partie inférieure. Le fluide se déplace en avant et en arrière dans un tube de raccordement (1lf)
couplant le cylindre extérieur (lld) et le cylindre intérieur (lie) sous l'effet de la vibration auto-induite.
Il est ainsi possible de miniaturiser le réservoir à fluide (11). Conformément à un dixième aspect, la présente invention est un moteur à vapeur destiné à convertir de l'énergie thermique en énergie mécanique. Le moteur à vapeur comprend un réservoir à fluide (11) formant un circuit à fluide en forme d'anneau, un réchauffeur (12) 10 pour réchauffer le fluide contenu dans le réservoir à fluide (11), un refroidisseur (13) disposé au-dessus du réchauffeur (12), pour refroidir la vapeur qui est vaporisée en étant réchauffée par le réchauffeur (12), et un dispositif de sortie (14, 14a, 14b) disposé dans le 15 réservoir à fluide (11). Le dispositif de sortie (14, 14a, 14b) émet en tant qu'énergie mécanique le déplacement de la vibration auto-induite générée dans le liquide contenu dans
le réservoir à fluide (11).
Le fluide porté à ébullition et vaporisé en étant 20 surchauffé par le réchauffeur (12), forme de la vapeur qui circule vers le haut en se détendant, puis est condensée et liquéfiée en étant refroidie par le refroidisseur (13). En conséquence, le fluide qui répète ces phases de détente et de compression dans le réservoir à fluide (11) est déplacé 25 à l'échelle microscopique sous l'effet de la vibration
auto-induite. Tandis que la vapeur refroidie par le refroidisseur (13) se liquéfie, la vapeur circule continment du réchauffeur (12) vers le refroidisseur (13).
En conséquence, dans l'ensemble du fluide de travail, 30 c'est-à-dire dans le fluide de travail observé à l'échelle macroscopique, le fluide circule à l'intérieur du réservoir à fluide (11) en s'écoulant du réchauffeur (12) vers le
refroidisseur (13).
Conformément à la description qui précède, étant donné
les présents aspects de l'invention, il est possible en principe d'éviter les phénomènes de corrosion, abrasion et phénomènes analogues dans les pièces exposées à la pression 5 de la vapeur, car le composant liquide du fluide fonctionne à la manière d'un piston liquide qui reçoit directement la pression de détente de la vapeur. Etant donné que le composant liquide du fluide, soit le piston liquide, reçoit la pression de détente de la vapeur, il est inutile 10 d'utiliser un moyen visant à augmenter le degré de surchauffe de la vapeur à l'avance afin d'empêcher la formation de gouttelettes sous l'effet d'une diminution du degré de surchauffe lorsque la vapeur se détend. En conséquence, il est possible d'augmenter la conversion 15 d'énergie jusqu'à atteindre le rendement d'un cycle de Carnot. Conformément à un onzième aspect de la présente invention, le moteur à vapeur comprend en outre un dispositif régulateur de débit (17) pour modifier 20 périodiquement le débit du fluide circulant à l'intérieur
du réservoir à fluide (11).
Ainsi, la durée pour l'échange thermique entre le réchauffeur (12) ou refroidisseur (13) et le fluide est prolongée, de sorte que le niveau d'échange thermique entre 25 le réchauffeur (12) ou refroidisseur (13) et le fluide augmente. Il est donc possible d'augmenter le rendement d'exploitation, c'est-à-dire le rendement énergétique de
conversion du moteur à vapeur.
Selon un douzième aspect de la présente invention, le 30 réservoir à fluide (11) ayant une forme à double cylindre comporte un cylindre extérieur (lld) et un cylindre intérieur (le) raccordés l'un à l'autre dans leur partie inférieure et supérieure. Il est donc possible de
miniaturiser le réservoir à fluide (11).
Les nombres entre parenthèses accompagnant les
éléments individuels précités correspondent à ceux de la description détaillée qui suit. D'autres domaines 5 d'application de la présente invention ressortiront de la description détaillée fournie ci-après. Il convient de noter que la description détaillée et les exemples spécifiques indiquent le mode de réalisation préféré de la présente invention mais sont proposés uniquement à titre 10 d'exemple et n'ont pas pour objet de limiter la portée de
l'invention. La présente invention sera mieux comprise à partir de
la description détaillée et des dessins annexés, dans
lesquels La figure 1 est une vue en coupe schématique et partielle d'un groupe motogénérateur conformément à un premier mode de réalisation de la présente invention; La figure 2 est une vue schématique d'un moteur à vapeur conformément au premier mode de réalisation de la 20 présente invention; La figure 3 est une vue explicative expliquant le fonctionnement du moteur à vapeur conformément au premier mode de réalisation de la présente invention; La figure 4 est une vue schématique d'un moteur à 25 vapeur conformément à un second mode de réalisation de la présente invention; La figure 5 est une vue schématique d'un moteur à vapeur conformément à un troisième mode de réalisation de la présente invention; La figure 6A est une vue schématique d'un groupe motogénérateur conformément à un quatrième mode de réalisation de la présente invention; La figure 6B est une vue en coupe prise le long de la ligne VIB-VIB de la figure 6A; La figure 7 est une vue en coupe schématique et partielle d'un groupe motogénérateur conformément à un cinquième mode de réalisation de la présente invention; La figure 8 est une vue schématique d'un moteur à vapeur conformément à un sixième mode de réalisation de la présente invention; La figure 9 est une vue schématique d'un moteur à vapeur conformément à un septième mode de réalisation de la 10 présente invention; La figure 10 est une vue schématique d'un moteur à vapeur conformément à un huitième mode de réalisation de la présente invention; La figure 11 est une vue schématique d'un moteur à 15 vapeur conformément à un neuvième mode de réalisation de la présente invention; et La figure 12 est un diagramme température-entropie
d'un moteur construit selon une technique antérieure.
La description qui suit des modes de réalisation 20 préférés est donnée uniquement à titre d'exemple et n'est
en aucune façon destinée à limiter l'invention, son
application ou ses utilisations.
(Premier mode de réalisation) Dans un premier mode de réalisation de la présente 25 invention, un moteur à vapeur est appliqué à un moteur linéaire pour le déplacement d'un élément mobile 2 dans un générateur 1, sous l'effet de la vibration. La figure 1 est une vue schématique d'un groupe motogénérateur qui comprend un moteur à vapeur 10 et un générateur 1, et la figure 2 30 est une vue schématique du moteur à vapeur 10 seul. Le générateur 1 conformément à la présente invention est un actionneur linéaire à vibration qui produit une force électromotrice en déplaçant l'élément mobile 2, disposant d'un aimant permanent encastré, sous l'effet de la vibration. Le moteur à vapeur 10 comprend un réservoir à fluide il dans lequel un fluide de travail pouvant s'écouler librement est contenu, un réchauffeur 12 pour 5 chauffer le fluide contenu dans le réservoir à fluide 11, et un refroidisseur 13 pour refroidir la vapeur qui est réchauffée et vaporisée par le réchauffeur 12 et autres
dispositifs analogues.
Il est préférable que le réservoir à fluide il soit 10 constitué d'un matériau d'isolation thermique, à l'exception des pièces accolées au réchauffeur 12 et au refroidisseur 13. Etant donné que le fluide de travail est de l'eau dans le présent mode de réalisation, le réservoir à fluide il est constitué d'un matériau inoxydable. Les 15 pièces du réservoir à fluide il accolées au réchauffeur 12 et au refroidisseur 13 sont constituées de cuivre ou d'aluminium, qui ont une plus grande conductivité thermique
que l'acier inoxydable.
Le réservoir à fluide il est une conduite sous 20 pression ayant approximativement une forme en U et constituée d'un tube inférieur coudé lia, et d'un premier et second tubes verticaux llb et lic. Le premier tube vertical llb est raccordé à l'une des extrémités du tube inférieur coudé lia dans une direction horizontale (côté 25 droit du dessin). Le premier tube vertical llb est pourvu du réchauffeur 12 et du refroidisseur 13 de façon à ce que
le réchauffeur 12 soit placé au-dessus du refroidisseur 13.
Une pièce cylindrique 14a est disposée à l'extrémité supérieure du second tube vertical lic, qui est relié à 30 l'autre extrémité du tube coudé lia en direction horizontale (côté gauche du dessin). Un piston 14, qui se déplace sous l'effet de la pression du fluide de travail, est installé sur la pièce cylindrique 14a de façon à
pouvoir coulisser.
Le piston 14, représenté dans la figure 1, est raccordé à l'une des extrémités d'un arbre 2a de l'élément mobile 2. Un ressort 3, qui est un dispositif élastique 5 produisant une force élastique pour faire dévier l'élément mobile 2 vers le piston 14, est disposé à l'autre extrémité de l'arbre 2a, à l'opposé du piston 14, et au-delà de
l'élément mobile 2.
Une chambre à gaz 15, qui est une enceinte étanche aux 10 gaz destinée à contenir des gaz inertes ne réagissant pas avec le fluide de travail, tels que le nitrogène, l'hélium, et autres gaz analogues, est disposée dans le réservoir à fluide 11, près du réchauffeur et, normalement, au- dessus de ce dernier. La force de réaction à la compression du gaz 15 chargé dans la chambre à gaz 15 applique une force d'excitation périodique (force élastique) au fluide contenu dans le réservoir à fluide 11. En d'autres termes, dans le présent mode de réalisation, la chambre à gaz 15 agit comme un dispositif d'excitation qui applique la force 20 d'excitation périodique au fluide contenu dans le réservoir
à fluide 11.
Les principes et caractéristiques du moteur à vapeur conformément au présent mode de réalisation sont décrits ci-dessous. La figure 3 est une vue explicative représentant les principes du moteur à vapeur 10. La vapeur du fluide de travail, réchauffé et vaporisé par le réchauffeur 12, fait baisser le niveau de fluide du premier tube vertical llb sous l'effet de sa pression de détente. Ensuite, le 30 composant liquide du fluide de travail, s'écoulant du premier tube vertical llb dans le second tube vertical lic, applique une pression au piston 14 dans le sens de la poussée de ce dernier, c'est-à-dire vers le haut. En conséquence, étant donné que le piston 14 se déplace en opposition avec la force élastique du ressort 3 et la force magnétique appliquée à l'élément mobile 2, une énergie mécanique est produite par le moteur à vapeur 10 et transmise au générateur 1. A ce moment, dans le présent mode de réalisation, étant donné que le composant liquide du fluide de travail agit comme un piston liquide qui reçoit directement la pression de détente de la vapeur, il est possible en 10 principe d'éviter les phénomènes de corrosion, d'abrasion, et autres phénomènes analogues dans une pièce exposée à la
pression de la vapeur.
Le composant liquide du fluide de travail qui reçoit
directement la pression de détente de la vapeur, 15 conformément à la description qui précède, inclut un cas,
par exemple, o la pression de la vapeur est appliquée au piston liquide, lequel est séparé du composant vapeur du
liquide de travail par une membrane.
Etant donné que le composant liquide du fluide de 20 travail, soit le piston liquide, reçoit la pression de détente de la vapeur, il est inutile d'utiliser un moyen visant à augmenter le degré de surchauffe de la vapeur à l'avance afin d'empêcher la formation de gouttelettes sous l'effet d'une diminution du degré de surchauffe lorsque la 25 vapeur se détend. En conséquence, il est possible d'augmenter le rendement énergétique de conversion jusqu'à
atteindre le rendement d'un cycle de Carnot.
Dans le présent mode de réalisation, étant donné que le composant vapeur du fluide de travail n'est pas séparé 30 du piston liquide par une membrane, la vapeur produite n'est pas de la vapeur surchauffée mais de la vapeur saturée, aussi longtemps que la totalité du fluide de travail contenu dans le réservoir à fluide il n'est pas vaporisé. Lorsque la vapeur produite par le réchauffeur 12 atteint le refroidisseur 13 en se détendant, la vapeur refroidie par le refroidisseur 13 est condensée et liquéfiée. Ensuite, une force faisant baisser le niveau du 5 fluide dans le premier tube vertical llb (la pression de détente) disparaît, de sorte que le niveau du fluide dans
le premier tube vertical llb augmente.
Ainsi, le fluide de travail contenu dans le réservoir à fluide 11 libère de l'énergie mécanique à l'extérieur, à 10 savoir au générateur 1 dans le présent mode de réalisation, en s'écoulant en avant et en arrière dans le tube coudé lia sous l'effet de la vibration auto-induite. Dans ce premier mode de réalisation, la fréquence propre, c'est-à-dire le nombre de vibrations auto-induites du piston liquide, d'un 15 système à vibration composé d'un ressort à gaz formé par la chambre à gaz 15 et du piston liquide, est réglé de façon adéquate pour faire fonctionner le générateur 1. En conséquence, le groupe motogénérateur fonctionne efficacement. (Deuxième mode de réalisation) Dans un second mode de réalisation, représenté dans la figure 4, un régénérateur 16 pour l'échange de chaleur dans le fluide de travail est disposé entre le réchauffeur 12 et le refroidisseur 13. Il est préférable que le régénérateur 25 16 ait une capacité calorifique prédéterminée et un coefficient de transfert thermique au fluide de travail élevé. Dans le régénérateur 16, il est également préférable que la conductivité thermique soit plus élevée dans la direction orthogonale de la direction de vibration du 30 fluide de travail que dans la direction de vibration de ce dernier. Dans le présent mode de réalisation, le régénérateur 16 est constitué d'un métal maillé laminé dans la direction de vibration du fluide de travail, de billes de métal logées dans le réservoir à fluide 11, ou d'éléments métalliques en nid d'abeilles laminés dans la direction de vibration du fluide de travail, et autres
dispositifs analogues.
Les effets de ce mode de réalisation sont décrits cidessous. De l'énergie thermique qui est fournie au fluide de travail par le réchauffeur 12, seule l'énergie de la pression de la vapeur (pression d'évaporation), soit l'énergie de la pression de détente, est retirée en tant 10 qu'énergie mécanique. L'énergie thermique absorbée du fluide de travail par le refroidisseur 13 ne peut être
retirée en tant qu'énergie mécanique. Dans le premier mode de réalisation, l'énergie thermique absorbée du fluide de travail par le refroidisseur 13 est relâchée dans 15 l'atmosphère en tant que rejet thermique.
Dans le présent mode de réalisation, au contraire, étant donné que le régénérateur 16 destiné à échanger de la chaleur dans le fluide de travail est disposé entre le réchauffeur 12 et le refroidisseur 13, le fluide de travail 20 vaporisé se détend et circule du réchauffeur 12 vers le refroidisseur 13 tout en fournissant de la chaleur au régénérateur 16. Le fluide de travail refroidi par le refroidisseur 13, d'autre part, s'écoule du refroidisseur 13 vers le réchauffeur 12 lors de sa détente, tout en étant 25 chauffé par le régénérateur 16, sa source de chaleur étant
la chaleur fournie au régénérateur 16.
En conséquence, l'énergie thermique est réutilisée pour le chauffage dans le présent mode de réalisation, alors qu'elle était libérée dans l'atmosphère en tant rejet 30 thermique par le refroidisseur 13 dans le premier mode de réalisation. La quantité d'énergie thermique chargée dans le moteur à vapeur 10 est réduite par rapport à celle du premier mode de réalisation, si bien qu'il est possible d'augmenter le rendement d'exploitation, c'est-à-dire le
rendement énergétique de conversion du moteur à vapeur 10.
(Troisième mode de réalisation) Dans un troisième mode de réalisation, le cycle d'une 5 force d'excitation appliquée par la chambre à gaz 15 au fluide de travail est déphasé d'un quart de cycle par rapport à un cycle de la vibration auto-induite générée dans le réservoir à fluide 11. Pour être plus précis, tel que cela est représenté dans la figure 5, une première 10 chambre à gaz inerte (ci-après appelée " première chambre à gaz 15 ") destinée à contenir un gaz pour l'application directe de la force d'excitation au fluide de travail contenu dans le réservoir à fluide 11, et une seconde chambre à gaz 15a sont raccordées l'une à l'autre via un 15 dispositif d'étranglement tel qu'un orifice 15b, un tube capillaire ou autre dispositif analogue qui génère une
résistance à l'écoulement prédéterminée.
Dans le présent mode de réalisation, le volume de la seconde chambre à gaz 15a est plus élevé que celui de la 20 première chambre à gaz 15, si bien que la fluctuation de pression de la seconde chambre à gaz 15a est suffisamment faible au niveau de l'orifice 15b par rapport à la pression moyenne. Le cycle de la force d'excitation appliquée par la chambre à gaz 15 au fluide de travail est déphasé 25 d'approximativement un quart de cycle par rapport à un cycle de la vibration auto-induite générée dans le
réservoir à fluide 11.
Les effets du présent mode de réalisation sont décrits ci-dessous. Dans le présent mode de réalisation, le cycle 30 de la force d'excitation appliquée par la chambre à gaz 15 au fluide de travail est déphasé par rapport à un cycle de la vibration auto-induite générée dans le réservoir à fluide 11. La durée pour l'échange thermique entre le réchauffeur 12 ou refroidisseur 13 et le fluide de travail devient plus longue que dans les modes de réalisation antérieurs. En conséquence, étant donné que le niveau d'échange thermique entre le réchauffeur 12 ou 5 refroidisseur 13 et le fluide de travail augmente, le rendement d'exploitation, c'est-à- dire le rendement
énergétique de conversion du moteur à vapeur 10, augmente.
Le présent mode de réalisation est appliqué au premier mode de réalisation (se reporter à la figure 2) de la figure 5, mais le présent mode de réalisation est également applicable au second mode de réalisation (se reporter au
quatrième mode de réalisation).
(Quatrième mode de réalisation)
Dans les modes de réalisation antérieurs, le réservoir 15 à fluide ilprésente approximativement une forme en " U ".
Dans le présent mode de réalisation, au contraire, ainsi que le montrent les figures 6A et 6B, le réservoir à fluide il comprend un double cylindre, à savoir un cylindre extérieur lld et un cylindre intérieur lie raccordés l'un à 20 l'autre dans leur partie inférieure. Le fluide de travail
se déplace en avant et en arrière dans un tube de raccordement lf couplant le cylindre extérieur lld et le cylindre intérieur lle sous l'effet de la vibration autoinduite.
Si le fluide de travail à l'intérieur du cylindre intérieur lie échange de la chaleur avec le fluide de travail circulant entre le cylindre intérieur île et le cylindre extérieur lld, la quantité d'énergie mécanique émise diminue du fait d'une diminution du niveau de 30 détente. Il est donc préférable de prendre une mesure, en constituant par exemple le cylindre intérieur lie d'un matériau ayant une faible conductivité thermique, tel que l'acier inoxydable, le titane ou autre matériau analogue, en constituant le cylindre intérieur lie d'un double tube,
dont l'intérieur est vidé, ou autre dispositif analogue.
(Cinquième mode de réalisation)
Dans les modes de réalisation antérieurs, la totalité 5 du fluide de travail vibre de façon auto-induite. Dans un cinquième mode de réalisation, le fluide de travail vibre à l'échelle microscopique et de façon auto-induite en étant porté à ébullition et refroidi, et le déplacement des vibrations auto-induites du fluide de travail est émis en 10 tant qu'énergie mécanique.
Pour être plus précis, ainsi que le montre la figure
7, le réservoir à fluide 11 a une forme d'anneau pour constituer un circuit à fluide en anneau. Le refroidisseur 13, servant à refroidir la vapeur qui est vaporisée en 15 étant réchauffée par le réchauffeur 12, est disposé audessus du réchauffeur 12.
Dans la figure 7, le piston 14,, dispositif de sortie qui émet en tant qu'énergie mécanique le déplacement de la vibration auto-induite, est disposé au-dessus du réservoir 20 à fluide 11. Cependant, la position du piston 14, soit du
dispositif de sortie, peut être déplacée o que ce soit, excepté entre le réchauffeur 12 et le refroidisseur 13. Les effets du présent mode de réalisation sont décrits cidessous.
Le fluide porté à ébullition et vaporisé en étant surchauffé par le réchauffeur 12, forme de la vapeur qui circule vers le haut en se détendant puis est condensée et liquéfiée en étant refroidie par le refroidisseur 13. Dans le réservoir à fluide 11, le fluide de travail qui répète 30 ces phases de détente et de compression est déplacé à
l'échelle microscopique sous l'effet de la vibration autoinduite.
Tandis que la vapeur refroidie par le refroidisseur 13 se liquéfie, la vapeur circule continment du réchauffeur 12 vers le refroidisseur 13. En conséquence, dans l'ensemble du fluide de travail, c'est-à-dire dans le fluide de travail observé à l'échelle macroscopique, le 5 fluide circule à l'intérieur du réservoir à fluide 11 dans une direction de façon à s'écouler du réchauffeur 12 vers
le refroidisseur 13.
Conformément à la description qui précède, il est
possible en principe d'éviter également les phénomènes de 10 corrosion, abrasion et autres phénomènes analogues dans la pièce exposée à la pression de la vapeur dans le présent mode de réalisation, car le composant liquide du fluide fonctionne à la manière d'un piston liquide qui reçoit
directement la pression de détente de la vapeur.
Etant donné que le composant liquide du fluide, c'està-dire le piston liquide, reçoit la pression de détente de la vapeur, il est inutile d'utiliser un moyen visant à augmenter le degré de surchauffe de la vapeur à l'avance afin d'empêcher la formation de gouttelettes sous l'effet 20 d'une diminution du degré de surchauffe lorsque la vapeur se détend. En conséquence, il est possible d'augmenter le rendement énergétique de conversion jusqu'à atteindre le
rendement d'un cycle de Carnot.
Dans le présent mode de réalisation, étant donné que 25 le liquide de travail circule dans le réservoir à fluide 11, la vapeur produite n'est pas de la vapeur surchauffée mais de la vapeur saturée, aussi longtemps que la totalité du fluide de travail contenu dans le réservoir à fluide ll
n'est pas vaporisé.
(Sixième mode de réalisation) A l'échelle macroscopique, dans le moteur à vapeur 10 du cinquième mode de réalisation représenté dans la figure 7, le fluide de travail circule dans le réservoir à fluide il dans une direction avec un débit constant. Dans un sixième mode de réalisation, tel que le montre la figure 8, une valve 17, agissant comme un dispositif régulateur de débit pour modifier périodiquement le débit macroscopique 5 du fluide de travail circulant dans le réservoir à fluide 11, est disposé dans le réservoir à fluide 11. Les effets
de ce mode de réalisation sont décrits ci-dessous.
Lorsque le fluide de travail circule dans le réservoir à fluide il avec un débit approximativement constant, il 10 est difficile de prolonger la durée pour l'échange de chaleur entre le réchauffeur 12 ou le refroidisseur 13 et le fluide de travail. De ce fait, si le débit macroscopique du fluide de travail circulant dans le réservoir à fluide il est modifié périodiquement (en utilisant également le 15 débit zéro (0) ), le niveau d'échange de chaleur entre le réchauffeur 12 ou le refroidisseur 13 et le fluide de travail augmente, si bien qu'il est possible d'augmenter le rendement d'exploitation, c'est-à-dire le rendement énergétique de conversion du moteur à vapeur 10. 20 (Septième mode de réalisation) Le réservoir à fluide 11 en forme de tuyau prend la forme d'un anneau dans le cinquième et le sixième mode de réalisation. Dans un septième mode de réalisation, représenté dans la figure 9, le réservoir à fluide 11 prend 25 la forme d'un double cylindre, comprenant un cylindre extérieur lld et un cylindre intérieur lie raccordés l'un à l'autre dans leur partie supérieure et inférieure de façon
à former un circuit à fluide en anneau.
Si le fluide de travail à l'intérieur du cylindre 30 intérieur lie échange de la chaleur avec le fluide de travail circulant entre le cylindre intérieur lie et le cylindre extérieur lld, la quantité d'énergie mécanique émise diminue du fait d'une diminution du niveau de
détente. Il est donc préférable de prendre une mesure, en constituant par exemple le cylindre intérieur lie d'un matériau ayant une faible conductivité thermique, tel que l'acier inoxydable, le titane ou autre matériau analogue, 5 en constituant le cylindre intérieur lie d'un double tube, dont l'intérieur est vidé, ou autre dispositif analogue.
(Huitième mode de réalisation) Dans les modes de réalisation antérieurs, lorsque le piston 14 dépasse sous l'effet d'une partie de l'énergie de 10 détente de la vapeur produite par le moteur à vapeur 10, le ressort 3 dans le générateur 1 replace le piston 14 dans sa position d'origine. Dans un huitième mode de réalisation, ainsi que le montre la figure 10, c'est un volant 3a qui replace le piston 14 dans sa position d'origine lorsque le 15 piston 14 dépasse sous l'effet d'une partie de l'énergie de
détente de la vapeur produite par le moteur à vapeur 10.
Dans la figure 10, le présent mode de réalisation est appliqué au premier mode de réalisation, mais le présent mode de réalisation ne se limite pas à cette possibilité. 20 Le présent mode de réalisation est applicable aux autres
modes de réalisation.
(Neuvième mode de réalisation) Dans les modes de réalisation antérieurs, le dispositif de sortie pour émettre le déplacement de la 25 vibration auto-induite en tant qu'énergie mécanique se
compose du piston 14, de la pièce cylindrique l4a, et autres éléments analogues. Dans un neuvième mode de réalisation, représenté dans la figure 11, le dispositif de sortie se compose d'une membrane 14b qui se déplace sous 30 l'effet de la pression dans le réservoir à fluide 11.
Dans la figure 11, la membrane 14b est un soufflet en forme d'accordéon, mais le présent mode de réalisation ne se limite pas à cette application. La membrane 14b peut être un simple diaphragme constitué d'un film. Dans la figure 11, le présent mode de réalisation est appliqué au huitième mode de réalisation, mais il ne s'y limite pas. Le présent mode de réalisation est applicable aux autres modes de réalisation. (Autres modes de réalisation) Dans les modes de réalisation antérieurs, le
dispositif d'excitation comprend le ressort à gaz, qui est obtenu en chargeant du gaz dans la chambre à gaz 15, mais 10 la présente invention de se limite pas à cette possibilité.
Le dispositif d'excitation peut comprendre des moyens élastiques ayant de l'élasticité, tels qu'un ressort
hélicodal et autres dispositifs analogues.
Dans les modes de réalisation antérieurs, la présente 15 invention est appliquée à une unité entraîneuse du groupe motogénérateur, mais l'application de la présente invention ne se limite pas à cette possibilité. La présente invention
est applicable à une autre unité entraîneuse également.
Dans les modes de réalisation 1 à 5, le réchauffeur 12 20 et le refroidisseur 13 sont alignés dans la direction verticale, mais leur disposition ne se limite pas à cette possibilité. La disposition du réchauffeur 12, du refroidisseur 13 et du dispositif de sortie (piston 14) peut être modifée, du moment que le réchauffeur 12, le 25 refroidisseur 13 et le dispositif de sortie (piston 14) sont disposés dans cet ordre dans la direction de vibration du fluide de travail, et que la vapeur produite n'atteint pas le dispositif de sortie (piston 14). Le réchauffeur 12 et le refroidisseur 13 peuvent par exemple être alignés 30 dans une direction horizontale ou une direction diagonale, et le dispositif de sortie (piston 14) peut être disposé
au-dessous du réchauffeur 12 et du refroidisseur 13.
Dans les modes de réalisation 1 à 5, la chambre à gaz est prévue en tant que dispositif d'excitation, mais les modes de réalisation ne se limitent pas à cette
possibilité. Le dispositif d'excitation peut être omis.
La description de l'invention est donnée uniquement à 5 titre d'exemple et, de ce fait, des variations qui
préservent l'essentiel de l'invention sont considérées comme étant comprises dans la portée de l'invention. De telles variations ne doivent pas être considérées comme
sortant de l'esprit et de la portée de l'invention.
Claims (15)
1. Moteur à vapeur destiné à convertir l'énergie thermique en énergie mécanique au niveau d'un dispositif de sortie, comprenant: un réservoir à fluide (11) pour contenir un fluide pouvant s'écouler; un réchauffeur (12) pour chauffer le fluide contenu dans le réservoir à fluide (11); et un refroidisseur (13) pour refroidir la vapeur qui est 10 vaporisée en étant réchauffée par le' réchauffeur (12), le refroidisseur (13) étant disposé au-dessous du réchauffeur (12) dans une direction de l'accélération due à la pesanteur, dans lequel la pression de détente de la vapeur 15 déplace un liquide en écoulement afin de produire l'énergie mécanique, et le refroidisseur refroidit et liquéfie la vapeur afin de déplacer le fluide contenu dans le réservoir
à fluide (11) par vibration auto-induite.
2. Moteur à vapeur selon la revendication 1, comprenant en outre: un dispositif d'excitation (15), disposé à proximité
immédiate du réchauffeur (12), le dispositif d'excitation (15) appliquant une force d'excitation périodique au fluide 25 contenu dans le réservoir à fluide (11).
3. Moteur à vapeur selon la revendication 2, dans lequel la force d'excitation est une force de réaction à la compression d'un gaz chargé dans une enceinte étanche aux 30 gaz, et le dispositif d'excitation (15) applique la force d'excitation au fluide contenu dans le réservoir à fluide (11).
4. Moteur à vapeur selon la revendication 2, dans
lequel le dispositif d'excitation (15) applique une force au fluide contenu dans le réservoir à fluide (11) selon un 5 cycle déphasé par rapport à un cycle de la vibration autoinduite générée dans le réservoir à fluide (11).
5. Moteur à vapeur selon la revendication 2, dans lequel le dispositif d'excitation (15) applique une force 10 au fluide contenu dans le réservoir à fluide (11) selon un cycle déphasé d'un quart de cycle par rapport à un cycle de la vibration auto-induite générée dans le réservoir à
fluide (11).
6. Moteur à vapeur selon la revendication 4, dans lequel le dispositif d'excitation (15) comprend: une première chambre à gaz (15) destinée à contenir un gaz pour l'application directe de la force d'excitation au fluide contenu dans le réservoir à fluide (11); et une seconde chambre à gaz (isa) raccordée à la première chambre à gaz (15) via un dispositif d'étranglement (15b) visant à générer une résistance à
l'écoulement prédéterminée.
7. Moteur à vapeur selon la revendication 1, dans lequel un régénérateur (16) est disposé entre le réchauffeur (12) et le refroidisseur (13), et le régénérateur échange de la chaleur dans le fluide contenu dans le réservoir à fluide (11). 30
8. Moteur à vapeur selon la revendication 1, dans lequel le réservoir à fluide (11) présente approximativement une forme en U de façon à ce qu'un tube coudé (lia) soit positionné dans la partie inférieure de ce dernier, et que le liquide se déplace en avant et en arrière dans le tube coudé (lia) sous l'effet de
l'excitation auto-induite.
9. Moteur à vapeur selon la revendication 1, dans lequel le réservoir à fluide (11) présente une forme à double cylindre de façon à avoir un cylindre extérieur (lld) et un cylindre intérieur (le) raccordés l'un à 10 l'autre dans leur partie inférieure, et de façon à ce que le fluide se déplace en avant et en arrière dans un tube de raccordement (11f) couplant le cylindre extérieur (lld) et le cylindre intérieur (lie) sous l'effet de la vibration auto-induite.
10. Moteur à vapeur destiné à convertir de l'énergie thermique en énergie mécanique, comprenant: un réservoir à fluide (11) formant un circuit à fluide; un réchauffeur (12) pour réchauffer le fluide contenu dans le réservoir à fluide (11); un refroidisseur (13) disposé au-dessus du réchauffeur (12), le refroidisseur (13) refroidissant la vapeur qui est vaporisée en étant réchauffée par le réchauffeur (12); et un dispositif de sortie (14, 14a, 14b) disposé dans le réservoir à fluide (11), le dispositif de sortie (14, 14a, 14b) émettant en tant qu'énergie mécanique le déplacement de la vibration auto-induite générée dans le liquide contenu dans le réservoir à fluide (11). 30
11. Moteur à vapeur selon la revendication 10, comprenant en outre: un dispositif régulateur de débit (17) pour modifier périodiquement le débit du fluide circulant à travers le
réservoir à fluide (11).
12. Moteur à vapeur selon la revendication 10, dans 5 lequel le réservoir à fluide (11) ayant une forme à double cylindre comporte un cylindre extérieur (lld) et un cylindre intérieur (le) raccordés l'un à l'autre dans leur
partie inférieure et supérieure.
13. Moteur à vapeur selon la revendication 1, dans lequel le refroidisseur (13) et le réchauffeur (12) sont disposés séparément l'un de l'autre dans la direction de la gravité, et le dispositif de sortie est disposé à proximité immédiate du refroidisseur (13). 15
14. Moteur à vapeur selon la revendication 1, dans lequel le dispositif de sortie comporte soit un piston (14) soit un soufflet déplacé par la vibration, l'énergie de sortie est retirée au niveau du piston (14) ou soufflet, le 20 piston (14) ou soufflet recevant la pression du liquide en écoulement.
15. Moteur à vapeur selon la revendication 4, dans lequel une force est appliquée au fluide contenu dans le 25 réservoir à fluide (11) selon le cycle déphasé, afin de prolonger la durée de l'échange thermique entre le
réchauffeur (12) ou le refroidisseur (13) et le fluide.
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