Brevet FR2398178A1 — publié le 19790216

La présente invention a pour objet un moteur à cycle fermé permettant de transformer l'énergie calorifique en énergie mécanique. Les solutions généralement retenues, pour les moteurs à cycle ferme, comportent comme élément actif un liquide que lton vaporise dans le compartiment haute pression au moyen d'une source de chaleur, puis après surchauffe, les vapeurs se détendent en produisant le travail. Elles sont alors condensées dans le comparts ment basse pression et le liquide produit est réinfecté par une pompe dans le compartiment haute pression pour être à nouveau vaporise Mais comme on le sait la chaleur de vaporisation d'un corps est importante par rapport aux chaleurs spécifiques de ce corps liquide ou gazeux. Aussi le rendement thermodynamique d'un tel système est relativement bas, car il faut fournir un grand nombre de calories pour obtenir le gaz, et en gaspiller sensiblement autant pour le condenser.D'autre part, les échangeurs qui peuvent être utilisés, pour condenser par exemple, sont volumineux car au moins une face d'échange est gazeuse. La présente invention k pour but de remédier à ces inconvénients et à cet effet, elle fournit un cycle de transformation dont le but est d'éviter le gaspillage de calories, pour améliorer le rendement thermodynamique. Pour ce faire, le cycle utilise une grande partie des calories dégagées dans le compartiment basse pression pour chauffer le compartiment haute pression. A cet effet, ltélément actif qutil comporte est non pas un liquide que l'on vaporise, mais une solution d'un gaz dans un liquide dont on extrait le gaz par élévation de température.D'autre part, les échangeurs- utilisés peuvent être du type-liquide-liquide donc peu volumineux ; et les températures aux différentes phases du cycle se situent dans une échelle thermodynamique qui ne mettent pas les pieces mécaniques en danger d'usure prématurée, il est donc possible de calorifuger les organes, en tout ou en partie, évitant ainsi les pertes importantes de chaleur dans le milieu ambiant. Le dispositif définissant le cycle suivant l'invention est basé sur le fait qu'un gaz qui se dissout dans un liquide fournit de la chaleur et élève ainsi la température de la solution. On peut donc élever la température par dissolution de gaz -dans une solution non saturée et se servir de cette derniere pour chauffer une solution saturée et ainsi provoquer un dégagement de gaz. Le dispositif comporte une chambre remplie de gaz en basse pression, où la solution pauvre en gaz est introduite et où elle dissout un peu de gaz, donc s'échauffe. Elle est alors poussée dans un échangeur où elle cède une partie de sa chaleur à la solution concentrée située dans le compartiment haute pression. La solution pauvre est réintroduite dans la chambre basse pression où elle se réchauffe à nouveau par solution de gaz, et recommence ce cycle. Ainsi par plusieurs actions successives la solution en s' enrichissant de gaz dans le compartiment basse pression, chauffe la solution concentrée du compartiment haute pression et provoque le dégagement du gaz. Lorsque la solution concentrée de la haute pression ne peut plus refroidir la solution basse pression on lui substitue un procédé, connu en soi, de ventilation d'air ambiant, de circulation d'eau, ou d'évaporation d'un liquide Ce qui permet à cette solution basse pression de se saturer de gaz. La dite solution est alors refoulée par une pompe dans le compartiment haute pression où elle sera chauffée comme il a été dit plus haut,et libèrera ainsi une partie de gaz dissout. Après son passage dans ce premier échangeur, la solution déjà appauvrie en gaz passe alors dans un deuxième échangeur liquide-liquide où elle est réchauffée par la solution complètement appauvrie avant le passage de cette dernière en basse pression. Enfin, l'échauffement de la solution se poursuit et se termine par un apport extérieur de chaleur, dans une chaudière d'un type connu en soi si cette chaleur est produite par une combustion ou dans un nouvel échangeur si cette dite chaleur est produite par la condensation d'un gaz ou véhiculee par un liquide ou encore produite par l'énergie solaire ou l'énergie nucléaire.La solution ainsi appauvrie en gaz passe alors par l'échangeur indiqué plus haut avant de passer en basse pression après avoir été détendue. Le gaz dégagé de la solution dans les différents échangeurs est alors épuré des gouttelettes de liquide qu'il pourrait entraîner, il est éventuellement surchauffé par un procédé, connu en soi, et se détend en produisant son travail et retourne à la chambre indiquée plus haut pour être dissout à nouveau et recommencer son cycle. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en reférence au dessin schematique annexé, representant, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution pour la mise en pratique de ce cycle de production d'énergie mécanique à partir de l'énergie thermique. Selon le dessin de la planche unique, une chambre 1 reçoit le gaz arrivant après sa détente, donc en basse pression, par l'orifice 20, d'une part ; et d'autre part le liquide, sortant d'un détendeur de pression 21 et qui pénètre dans la chambre I par une buse ou grille de pulvérisation 2. Cette chambre I est associée à un échangeur liquide liquide Il contenant une solution concentrée 12 dans la partie haute pression de l'échangeur. La chambre I et l'échangeur Il peuvent être réalisés en deux ensembles séparés ou en un seul comme représenté sur le dessin schématique. Des pompes 4, 5, 6..., connu en soi, entraînées séparément ou par un arbre commun 17, comme représenté sur le dessin, aspirent le liquide dans le bas de la chambre 1 et le refoulent dans les canalisations 3, 7, 8... de l'échangeur.Des petites cloisons 23, 24, 25... déterminent des compartiments où le liquide est recueilli après son parcours dans le gaz. Le liquide pauvre en gaz dissout pénètre dans la chambre 1 par la buse 2 à tétât de gouttelettes 22 et en parcourant partiellement la chambre 1, dissout une certaine quantité de gaz, sa température monte donc. Recueilli en 15, il est aspiré par la pompe 4 et refoulé dans une canalisation 3 de l'échangeur 11 où il cède de la chaleur à la solution concentrée 12 et provoque un dégagement de gaz de cette dernière. Après son parcours dans la canalisation 3, le liquide pénètre à nouveau dans la chambre 1 par la buse 9 et redissout du gaz, il se réchauffa donc. Aspiré par la pompe 5, il est refoulé dans la canalisation 7 de l'échangeur il où il cède à nouveau de la chaleur, et revient à la chambre 1 par la buse 10 pour dissoudre à nouveau du gaz et se réchauffer.Il recommence un nouveau parcours par la pompe 6, la canalisation 3 et la buse 55, et ainsi de suite. Le liquide suit un certain nombre de fois des parcours semblables, mais il arrive un moment où la solution concentrée, par suite de sa température ne peut plus refroidir la solution basse pression. On continue néanmoins de lui faire suivre le parcours décrit ci-dessus . pompe, canalisation, pulvérisation et enrichissement en gaz ; mais les canalisations où il circule passent dans un second échangeur 27 où elles dont refroidies soit par ventilation d'air ambiant, soit par circulation d'un liquide, soit par évaporation d'un liquide dont les vapeurs sont aspirées, par un procédé, connu en soi, et non représenté sur le dessin, par l'orifice 29. Le liquide chargé de gaz en solution dans la chambre I est alors aspiré par l'orifice 31 par une pompe 18 qui le refoule par une canalisation 19 dans la partie haute pression de l'échangeur Il pour qu'il y soit chauffé progressivement comme il a été expliqué plus haut. Au fur et à mesure de son éléva- tion de température, la solution 12 libère du gaz. La solution sort de l'échangeur 11 par l'orifice 14 et est -conduite par la canalisation 44 dans un échangeur liquide-liquide 45 où elle continue d'être réchauffée par le liquide pauvre en gaz, mais de température élevée, rentrant par l'orifice 32 et ressortant par l'orifice 43. Le gaz dégagé retourne dans la partie sur rieure de l'échangeur 1I par la canalisation 42. Pour terminer son appauvrissement en gaz, la solution passe alors par la canalisation 35 dans un nouvel échangeur 47, connu en soi, où elle est chauffée soit par une combustion, soit, comme représenté sur le dessin par la condensation dtun gaz introduit par l'orifice 40 et évacué liquide par l'orifice 41, soit par les deux procédés simultannément. Le gaz dégagé par la solution dans l'échangeur 47 est ramené dans la partie supérieure de l'échangeur Il par les canalisations 46 et 42. La solution appauvrie en gaz est alors à sa température maxima et ne contient plus ou très peu de gaz. Elle sort alors de l'échangeur 47 par l'orifice 38 et est conduite par une canalisation 39 à l'échangeur 45 où elle pénètre par l'orifice 32 et en ressort par l'orifice 43. Dans son passage dans cet échangeur 45, elle cède une partie de sa chaleur à la solution venant de l'échangeur Il comme expliqué plus haut. Amené par la canalisation 43 à un détendeur ou moto-détendeur 21, connu en soi, le liquide passe alors dans le circuit basse pression, et, par la canalisation 48, revient à la buse 2 pour un nouveau cycle. Les gaz dégagés dans les échangeurs 11, 45 et 47 etant collectés dans l'échangeur Il passent par un filtre séchant 49, connu en soi, qui les débarrasse de toute trace de liquide puis ils sont conduits par une canalisation 50 dans un surchauffeur 51, connu en soi. Puis, par une canalisation 52, ils arrivent à un système mécanique 53, connu en soi, où ils se détendent en produisant du travail mécanique recueilli sur l'arbre 58. Après quoi ils regagnent par une canalisation 54, la chambre 1 où ils pénètrent par -l'orifi- ce 20 et recommencent leur cycle. Comme il va-de soi et comme il résulte de ce qui précède, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution du dispositif décrit ci-dessus à titre d'exemple non limitatif. Elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de fabrication dans son ensemble ou ses elements. C'est ainsi qu'il est possible de réaliser la chambre 1 et les échangeurs 11 et 27 en un seul ou en deux ou trois eléments. il est même possible de réaliser tous les échangeurs en un seul élément. Les pompes 4, 5, 6... peuvent être placées à l'extérieur de la chambre 1 et reliées à leur point d'aspiration par une canalisation. Les canalisations 3, 7, 8... peuvent avoir des formes et longueurs diverses en séries ou parallèles. L'énergie calorifique peut etre a'origine chimique, solaire, géodésique, nucléaire ou autre, séparément ou simultannément, et dans chacun des cas, que cette energie soit utilisée directement ou véhiculée d'une manière quelconque par un support calorifique. Les échangeurs et pièces mécaniques travaillent à des températures relativement modérées. il est donc possible de les calorifuger afin de diminuer les pertes de chaleur dans le milieu ambiant, permettant ainsi au rendement thermodynamique d'atteindre des valeurs plus élevées Pour la clarté du dessin, le calorifugeage n'a pas été représenté. il a été dit plus haut que l'échangeur- 27 pouvait etre refroidi par l'évaporation d'un liquide et que ltechangeur 47 pouvait être chauffé par la condensation d'un gaz, il est donc possible de produire ces deux effets par l'action d'un fluide. L'échangeur 27 ferait office d'evaporateur et l'échangeur 47 de condenseur, comme représenté sur le dessin, qui seraient associés à un compresseur et un détendeur non représentés sur le dessin. Le refroidissement d'un côté et le rechauffement de l'autre se feraient par un transfert de calories opéré par le procédé dit de pompe à chaleur. La nature de la solution n'a pas ete précisée car plusieurs peuvent être utilisées ; par exemple le gaz ammoniac dissout dans l'eau ou l'alcool, l'anhydride sulfureux dans l'eau ou l'alcool, l'acétylène dans l'acétone, ou autres. Le cycle et le dispositif seraient les mêmes aux volumes et surfaces d'échange près. Quelque soit d'ailleurs le gaz et le liquide utilisés, les matériaux constitutifs du dispositif doivent etre chimiquement neutres par rapport à eux. Le dispositif, objet de l'invention, définit un cycle permettant d'obtenir de l'énergie mécanique à partir de l'énergie calorifique. il peut donc être utilisé chaque fois que l'on veut obtenir ce résultat, particulièrement pour la propulsion d'engins terrestres, maritimes ou aériens ainsi que les engins fixes ou mobiles qui sont destines à produire de l'énergie électrique ou un travail de n'importe quelle nature, les travaux publics par exemple. R E V E N D I C A T I O N S I. Dispositif mettant en oeuvre un cycle fermé destiné à obtenir de l'énergie mécanique à partir de l'énergie calorifique, caractérisé par le fait que le fluide utilisé est une solution d'un gaz dans un liquide. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la solution concentrée est aspirée par une pompe de la basse pression et refoulée à haute pression. 3. Dispositif selon la revendication I caractérisé par le fait que le refroidissement du liquide et la chaleur de dissolution du gaz dans ce même liquide en basse pression sont utilisés pour réchauffer la solution concentrée en haute pression et provoquer ainsi le dégagement du gaz de cette dernière. 4. Dispositif selon les revendications I et 3 caractérisé par le fait qu'en basse pression le liquide est mis plusieurs fois en contact avec le gaz pour qutà chaque fois il puisse en dissoudre une certaine quantité et ainsi élever sa température. 5. Dispositif selon les revendications 1, 3 et 4 caractérisé par le fait que la solution qui s' enrichit de gaz en basse pression cède de sa chaleur, entre chaque contact avec le gaz, à la solution concentrée de haute pression. 6. Dispositif selon les revendications 1 et 3 caractérisé par le fait que la solution subit un complément de chauffage par le liquide pauvre en gaz. 7. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la solution est finalement chauffée par un apport extérieur de chaleur. 8. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que la solution est concentrez en basse pression par un apport extérieur de froid. 9. Dispositif selon la tevendication 1 caractérisé par le fait que les éléments constitutifs du dispositif peuvent être calorifugés. 10. Dispositif selon les revendications 7 et 8 caractérisé par le fait que l'apport de chaleur et l'apport de froid peuvent être considérés comme un transfert d'énergie calorifique et être opérés au moyen du système dit pompe à chaleur.