Brevet FR2385897A1 — publié le 19781027

La présente invention concerne les moteurs thermodynamiques. Elle permet d'exploiter l'énergie reçue par l'valet d'améliorer aussi le rendement des turbines à vapeur, en utilisant la chaleur rendue par la condensation de celle-ci. Quant on considère la quantité d'énergie calorifique rejetée par les centrales thermiques sans être utilisée; cette création prend toute son importance. La conversion de lténergie thermique en puissance mécanique, par l'emploi de vapeur d'eau exige une chauffe supérieure à 100"C, et s'effectue avec un rendement médiocre. L'usage du principe de la "paroi froide" améliore ce dernier. Mais la mauvaise utilisation de ce principe de Watt, est cause néanmoins d'une perte importante d'énergie. Car pour maintenir cette "paroi froide" à une température constante, on rejette prématurément la chaleur rendue par la condensation de la vapeur. Si cette même quantité de chaleur en abaissant sa température à celle désirée de la "paroi froide", est l'origine d'un travail mécanique, on concilie alors le principe de Watt avec une nouvelle possibilité d'augmenter le rendement énergétique. Le principe thermodynamique du "moteur à deux sources" de Carnot étant lui aussi respecté.En outre, il faut considérer que, en se donnant le moyen d'exploiter des quantités de chialeur, à des températures qui peuvent être relativement peu élevées, il devient possible d'utiliser des sources thermiques plus modestes que celle de la combustion. Le dispositif suivant l'invention a pour but de créer dans un système fermé, des conditions permettant d'exploiter les propriétés physiques de l'eau, dans un milieu où la pression est celle désirée. En effet, l'eau entre en ébullition d'autant plus rapidement que la pression environnante est faible. Ce bouillonnement nécessite une quantité de chaleur réduite. En contrepartie, la tension de la vapeur ainsi obtenue est faible. Toutefois, si cette dernière ne combat qu'une fraction de la valeur de la pression atmosphérique, elle est alors utilisable par le moteur conçu à cette intention. Ceci est rendu possible par le fait que des dispositions particulières assurent à cette tension minime des conditions idéales de travail. L'application de la technique d'échanges thermodynamiques utilisée s'adapte aussi à un type de turbine basse pression et est le complément de celle à haute pression. Le dispositif objet de l'invention comporte I - Un système automatique régulateur d'admission et d'évacuation de la vapeur, Il est composé par Fig. 1: un arbre n" 1, une vanne distributrice d'admission n" 2, deux vannes réceptrices d'évacuation n" 3 - 4. La commande des obtura- teurs de ces vannes est assurée par la rotation de l'arbre n" 1 qui détermine les cycles coordonnés des écoulements de vapeur. Le mouvement de rotation de l'arbre est provoqué par un vilebrequin qui subit les tractions successives de quatre animateurs vectoriels. L'animateur vectoriel (A.V.) dont le but essentiel est de remplacer le système classique du piston coulissant dans une chambre cylindrique, en évitant les fuites caractéristiques à ce principe, possédant les avantages d'un prix de revient et d'un poids réduits, de pouvoir augmenter sa force de traction à mesure que le bras de levier du vilebrequin diminue lors de sa rotation. Il comprend : une enveloppe de forme sphérique sous pression, à paroi souple et étanche. Sur cette paroi sont collées ou soudées des gaines souples, suivant des méridiens régulièrement espacés. Dans chacune de ces gaines est enfilé un fil résistant.Les brins réunis à chacun des deux pôles de la sphère forment une boucle qui permet d'accrocher le premier à un point fixe, concrétisé par le châssis support de I'ensemble, et le second à l'extrémité du bras de levier du vilebrequin. Sur la paroi de l'A.V. sont branchés les tubes flexibles permettant la circulation de la vapeur (le cycle étant vanne d'admission, A. V., vanne d'évacuation). Le fonctionnement de l'A.V. est le suivant.Lorsque la pression s'installe à l'intérieur de ce dernier par l'intermédiaire de deux tubes alimentés par la vanne distributrice, conçue à cet effet, les quatre tubes d'évacuation étant obstrués à ce moment précis par les vannes d'évacuation (de même style) ; l'A.V. primitivement étiré se gonfle, raccourcissant la distance séparant ses deux pôles, et par suite, créant une traction sur le vilebrequin, provoquant sa rotation sur 1/4 de tour. Les A.V. étant au nombre de quatre et entrant en action successivement, la rotation complète du vilebrequin est ainsi assurée. La réduction de distance entre les boucles des deux pôles d'un A.V. est égale à la différence entre la longueur de la demi-circonférence et celle du diamètre de la sphère. Cette mesure divisée par deux, détermine la longueur maximum du bras de levier du vilebrequin. Les quatre A.V. dont les points d'attache (fixes) situés dans un même plan perpendiculaire, à l'arbre entraidé par le vilebrequin, sont disposés symétriquement, par rapport à l'axe de ce même arbre, supporté par les vannes d'admission et d'évacuation. Les corps de ces vannes sont identiques. Chacun d'eux est composé par trois pièces Fig. 2 qui représente une élévation vue en coupe. Celles-ci sont emboitées et forment une chambre interne n" 1. Les pièces n" 2 - 3 sont semblables à l'exception d'une perforation n" 5 qui permet à la pression de se répandre dans la chambre n" 1. L'étanchéité est assurée par les joints n" 6. Le blocage de l'ensemble est effectué à l'aide de tiges filetées n" 7, passant à travers les trous n" 8, sur lesquelles sont bloqués des écrous.La pièce n" 4 est une couronne qui est percée de 8 trous, fig. 2, 3, 4 n" 9, symétriquement espacés les uns des autres, dont les axes de perforation sont compris dans le plan médian de cette couronne et rayonnent vers le centre. Les pièces Fig. 2 n" 3 - 4 comportent chacune un siège n" 10 sur lequel est coincé un joint (assurant l'étanchéité entre le siège, le roulement et l'arbre), par la présence d'un roulement à billes emboîté dans la cage n" 11 correspondante. A travers l'orifice des roulements à billes que supporte le corps des vannes, l'arbre est ajusté. Sur celui-ci > dans tous les corps de vannes est bloqué un collier Fig. 3 n" 1 pour l'alimentation Fig. 4 n" 2 pour l'évacuation. Sur ces colliers sont emboitées les deux extrémités d'un ressort plat qui épouse en partie la périphérie de la gorge (Fig. 2 n" 12) et permet l'obstruction successive des trous que comporte la couronne.Ces obturateurs sont positionnés de manière que lorsque les ressorts des vannes d'évacuation masquent par le mouvement de rotation de l'arbre un orifice respectifdalimentation d'un A.V., le trou d'évacuation correspondant à celui-ci est dévoilé avec un léger temps de retard. La lumière formée par le ressort d'alimentation Fig. 3 n" 3 correspond à une ouverture de 1/8 de tour, tandis que celle des ressorts d'évacuation n" 4 à un demi-tour environ. Dans cette réalisation, pour réduire les pertes de charges, il est utilisé deux vannes d'évacuation, néanmoins il est possible d'en ajouter d'autres, pourvu que les obturateurs et les couronnes des corps de vannes soient positionnés de façon identique.De même il est possible aussi d'augmenter les vannes d'alimentation (les raccordements en tubes flexibles devant être effectués). Afin d'éviter un éventuel glissement de l'arbre, des clips sont fixés sur celui-ci et font pression sur les moyeux des faces externes des roulements à billes. U - Echanges thermiques Le récepteur décrit est enfermé dans une enceinte étanche Fig. 1 n" 5 (cellule). La forme de celle-ci est indifférente, la caractéristique essentielle étant de résister sans déformation, à la pression atmosphérique, lorsque le vide est fait à l'intérieur. L'apport thermique canalisé dans un tube métallique cède sa chaleur par l'intermédiaire d'un serpentin n" 11 à l'intérieur d'un échangeur n" 12 à une masse d'eau contenue par ce dernier. L'extrémité de ce serpentin retournant'à la source thermique pour le recyclage de ce circuit primaire n" 13. L'intérêt de cet échange thermique étant de condenser la vapeur du circuit primaire n" 13 et de provoquer l'ébullition de l'eau contenue par l'échangeur n" 12 alimentant un circuit secondaire n" 14. Cette ébullition est obtenue du fait que ce dernier est dépressurisé, que cette dépression est égale à l'origine à celle établie dans la cellule, et correspond à la température d'ébullition choisie. La tension finale étant fonction de l'élévation de température obtenue au sein de l'échangeur. I1 faut noter que la température de condensation dans le serpentin du circuit primaire n" 13 est dans tous les cas supérieure à celle choisie (qui détermine la pression interne de la cellule), de l'ébullition dans le circuit secondaire n" 14.Cette condition permet de créer une dynamique de vapeur, de tension faible, mais à grand débit. Le circuit secondaire dont la source chaude est le serpentin n" 11 de l'échangeur n" 12, transmet par l'intermédiaire d'une canalisation n" 14 traversant la paroi de la cellule, la tension de vapeur, à la vanne distributrice de l'alimen~ tation n" 2 du moteur. Cette vapeur après avoir effectué un travail mécanique en animant le mécanisme décrits est récupérée par une canalisation connectée à la sortie des vannes d'évacuation n" 3 - 4 du moteur, puis traverse la paroi de la cellule, pour être réfrigérée et condensée avant d'être recyclée à l'échangeur n" 12. Ainsi, à l'aide de ce récepteur fonctionnant à très basse tension, la chaleur rendue par la condensation est rejetée après avoir produit une puissance mécanique supplémentaire, le rendement de la turbine n'étant pas diminué. Le refroidissement du circuit secondaire est facilité en adoptant la même technique d'échange athermique, qui consiste en une condensation provoquant l'ébullition dans un autre circuit fermé, de pression interne inférieure produisant un mouvement apte à transporter les calories (empruntées par la vapeur), au sein de la source froide, l'eau condensée étant recyclée par une pompe de circulation n" 6. Dans les climats froids, cette condensation peut être obtenue par l'emploi de radiateurs n" 7 branchés en parallèle, diffusant la chaleur à l'atmosphère. Un manomètre monté sur une tubulure branchée sur la paroi de la cellule permet de vérifier la pression interne de celle-ci. Un deuxième manomètre indique la tension du circuit secondaire. Un branchement sur ces organes comporte une vanne d'arrêt et permet d'y assujettir une pompe à vide. Le retour de l'eau condensée du circuit secondaire est effectué soit en thermosiphon ou à l'aidç d'une pompe de circulation, celui-ci est muni d'un thermo permettant mètre con rouler la constance de la température de l'eau condensée. La cellule est équipée d'une trappe de visite démontable en permettant l'accès. Ul - Extraction de l'énergie produite A l'intérieur de la cellule sur arbre, fig. 1 no 1 du moteur, une démultiplication n" 8 est montée. Celle-ci entrain un générateur n" 9 électrique dont la ligne n" 10 traverse la paroi. Le principe d'échange thermodynamique décrit permet de mouvoir une turbine Fig. 4 (cette figure schématise une turbine à vapeur alimentée sous haute pression et une seconde à très basse pression). La vapeur provenant de la source chaude, par la canalisation n" 1 pénètre dans la chambre n"2, traverse les rangées d'aubes 3, 4, 5, 6, 7 et finit de se détendre en se condensant au contact du serpentin n" 8. Puis l'eau condensée ayant cédé sa chaleur à ce serpentin n" 8 est recyclée à la source chaude par la pompe n09. Dans le circuit secondaire (dépressurisé), dont la source chaude est le serpentin n" 8, l'eau entre en ébullition, la tension de vapeur obtenue pénètre dans la seconde turbine par les branchements n" 10, agit sur la rangée d'aubes n" 11 puis est condensée par le serpentin n" 12. L'eau ainsi obtenue est recyclée au serpentin n" 8 par l'intermédiaire de la canalisation n" 13 et de la pompe nO 14. Le refroidissement du serpentin n" 12 étant assuré au gré de la technique choisie (par exemple celle décrite plus haut). Considérations générales a) Force développée par 1'A.V. Elle est sensiblement égale à 2 tf R2P où R est le rayon de la sphère, P la tension de la vapeur. Si par exemple R = 25 cm et P = 50g/cm2 la force F ---- 195 kg b) Les principes du moteur et l'échange thermique sont valables dans le vide spatial (la cellule est inutile dans ce cas), à condition d'employer un capteur solaire et un condenseur possédant un grand pouvoir émissif. Le capteur solaire peut être constitué par deux vitres de forme identique dont les plans sont séparés par une distance de 1 à 2 millimètres. Ces vitres sont soudées ensemble sur toute leur périphérie, l'espace capillaire compris entre elles est rempli de limaille métallique. Un branchement muni d'un filtre est effectué à chacune des deux extrémités les plus éloignées l'une de l'autre. REVENDICATIONS 1) Moteur utilisant l'énergie cinétique des fluides, caractérisé par le fait que la machine comporte un arbre qui supporte les obturateurs des vannes d'admission et d'évacuation de vapeur, que la rotation de celuici détermine les cycles des admissions et des évacuations ; qu'en outre il supporte un vilebrequin qui entraxe ce dernier, et une démultiplication permettant de solliciter un générateur électrique. Z) Dispositif suivant les revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la machine comporte 3 vannes dont l'une reçoit la vapeur d'eau et la distribue successivement aux animateurs vectoriels, les deux autres recevant cette vapeur provenant des animateurs vectoriels pour la canaliser à un condenseur. Que les obturateurs de ces vannes sont des ressorts plats recourbés Fig. 3 n" 5 - Fig 4 n0 6 et maintenus par leurs extrêmités à l'aide d'un collier bloqué Fig. 3 n" 1, Fig. 4 n" 2, sur l'arbre Fig. 3 > 4 n" 7 que le corps de ces vannes est constitué par 3 pièces.Fig 2 emboitées, que la pièce centrale est une couronne Fig. 2 n" 4 - Fig. 3, 4 percée de huit trous dont les axes de perforation espacés régulièrement sont situés dans un plan médian de la couronne et rayonnent vers le centre de celle-ci. Que la lumière formée par le ressort constituant l'obturateur de l'alimentation correspond à une ouverture de 1/8 de tour (Fig. 3 n" 3) tandis que les lumières formées par les ressorts constituent les obturateurs des vannes d'évacuation correspondant chacune à une ouverture du 1/2 tour, Fig. 4ne4, que ces obturateurs sont maintenus sur l'arbre dans une position telle que lorsque le ressort d'alimentation masque l'orifice respectif d'un animateur vectoriel, les évacuations correspondantes sont dévoilées avec un léger temps de retard. Que les pièces Fig. 2 n" 2, 3 d'un corps de vanne comportent une cage n" ll à roulements permettant d'y inclure un joint assurant l'étan- chéité entre le siège, l'arbre, et le roulement à billes.Ce type de vanne susceptible de s'orienter autour d'un axe trouve d'autres applications que l'objet de l'invention. 3) Dispositif suivant la revendication de 1 à 3 caractérisé par le fait que la machine comporte 4 animateurs vectoriels. Que ceux-ci sont constitués chacun par une enveloppe de forme sphérique sous pression, à paroi souple et étanche. Que sur cette paroi sont collées ou soudées des gaines souples suivant des méridiens régulièrement espacés. Que dans chacune de ces gaines est enfilé un fil résistant. Que les brins réunis à chacun des deux pôles de la sphère forment une boucle qui permet dlaccro- cher le premier à un point fixe, concrétisé par un châssis support de l'en- semble de la machine, et le second à l'extrémité du bras de levier du vilebrequin.Que la différence entre la mesure de la demi-circonférence et celle du diamètre de la sphère divisée par deux, détermine la longueur maximum du bras de levier du vilebrequin. Que sur la paroi de l'animateur vectoriel sont raccordés des tubes flexibles. L'animateur vectoriel étant un nouveau type de vérin, ses applications ne se limitent pas à la machine décrite. 4) dispositif selon les revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la machine est enfermée dans une enceinte étanche, Fig 1 n" 5 que la résistance de celle-ci lui permet de supporter la pression atmosphérique lorsque le vide est fait à l'intérieur. Que cette enceinte est munie d'une trappe de visite, et qu'elle comporte les piquages tubulaires sur lesquels sont montés un manomètre et une vanne d'arrêt. Qu'en outre, elle possède un branchement qui permet de connecter une pompe à vide. 5) Dispositif selon les revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la machine comporte un système d'échange thermique, composé par un échangeur n" 12 qui permet d'exploiter l'énergie rendue par la condensation de la vapeur et de créer une dynamique à faible tension et de grand débit, relié à un circuit fermé Fig. 1 n" 14. Que ce circuit est dépressurisé afin d'obtenir de la vapeur d'eau à la température d'ébullition désirée. Que l'eau condensée est recyclée à lléchangeur, soit par thermo siphon, ou à l'aide d'une pompe de circulation n" 6. Que la vapeur créée dans ce circuit anime le moteur fig. 1, où une turbine, fig. 5 fonctionnant à faible tension. 6) Dispositif selon les revendications 1 à 6 caractérisé par le fait que le refroidissement provoquant la condensation de la vapeur d'eau contenue par le circuit precédent est favorisé par un second circuit fermé fig. 5 n" 15, de pression interne, moindre et diffusant la chaleur par l'intermédiai. re d'un ou plusieurs radiateurs Fig. 1 n" 7 à l'atmosphère (ou la source froide choisie), l'eau condensée étant recyclée. 7) Dispositif selon les revendications l à 7, caractérisé par le fait qu'un générateur électrique Fig. 1 n" 9 est entrarné dans l'enceinte du moteur et transmet l'énergie recueillie à l'extérieur de celle-ci par l'intermédiaire d'une ligne Fig. 1 n" 10 traversant la paroi. 8) Dispositif selon les revendications 1 à 8 caractérisé par le fait que le moteur dans une de ses applications possède un capteur solaire.