Brevet FR2533268A1 — publié le 19840323

- DESCRIPTION - (i) PERFECTIONNEMENTS AUX MOTEURS A VAPEUR PERANENTE OU AUTRES LEUR PERMETTANT DE PRODUINE DE L'ANERGIE SANS CONSOMMER DE COMBUSTIBLE L'ensemble des perfectionnements faisant l'objet de la prése invention vise à faire produire aux moteurs à vapeur plus d'énerve qu'ils n'en absorbent,(ce qui jusqu'ici paraissait utopique) en utilisant de façon rationnelle et opportune les caractéristiques de la vapeur d'eau surchauffée. La surchauffe par elle même n'est pas nouvelle, elle a été appliquée des le début du siècle sur la presque totalité des locc -motives mais toujours de façon inopportune si bien que l'amélio -ration de rendement qu'elle apportait était dérisoire par rappox à ce qu'elle aurait dû procurer. Nous préciserons d'abord la différence de comportement entre la vapeur saturée et la vapeur surchauffée au contact d'une paroi froide: 1) VAPEUR SATURRE: Une partie sera condensée mais la tempéra -ture restera constante. 2) VAPEUR SURCHAUFFEE: La chaleur spécifique étant seule concernée il y aura chute de température tant que celle-c excédera le point de condensation, ensuite seulement la température restera constante mais l'effet de surchauffe aura disparu; Cet effet de surchauffe est quelque chose de très fugace qui demande à être utilisé au moment précis où la vapeur fournit de l'énergie, c'est le but de la présente invention. Dans les locomotives le surchauffeur se trouvait à l'intérie du générateur ou chaudière, la vapeur surchauffée devait parcouri plusieurs mètres dans un tube pas toujours calorifugé pour attein le cylindre refroidi adiabatiquement par la détente du cycle préc -dent et dont la tige de piston, d'assez gros diamètre, se trouva pendant la moitié du temps de marche à l'air libre et ventilé9 to cela entraînait des pertes par chute de température que nous avon essayé d'éliminer au moyen de l'ensemble des dispositifs faisant l'objet de la présente invention. La fig 5 représente un moteur fonctionnant suivant le classi cycle de RANKINk: mais muni de ces dispositifs dont le rôle est de surchauffer la vapeur immédiatement avant et pendant qu'elle trànX de l'énergie et libère celle qu'elle contient. Le générateur N fig 5 produit de la vapeur saturée sous 11 b soit à environ 185OC qui est envoyée par un tube calorifugé B fig dans le surchauffeur C fig 5 placé immédiatement avant l'entrée d la chambre de soupape, elle sort de ce surchauffeur en D fig 5à environ )85 C etrroe la résistance E fis 5 oui dIbvs un peu cette température juste avant l'introduction de la vapeur dans le cylinc F fig 5 lequel est chauffé par la résistance C fig 5 qui en ceints la tête et la maintient à environ 450 C. La culasse est chauffée par les résistances 17 et 18 fig 8 que l'on voit en coupe en 19 fig 9. En entrant dans le cylindre par la soupape H fi > la vapeur subit un laminage et une légère détente qui ont teMance à en. abaisser la température mais en même temps elle se heurte violent -ment à la face du piston I fig 5 qui est maintenue aux environs de 450 C par la résistance placée derrière et alimentée par les bornes J et K fig 5 reliées entre elles par les biellettes L et M fig 5, à ce contact la vapeur va regagner quelques degrés qu'elle conservera pendant la poussée sans détente, quant à la chute adiabatique de température provoquée par la détente elle sera freinée par le rayonnement des parois chaudes de la capacité dans laquelle cette opération s'effectue. Le tableau comparatif A page 3 indique qu'un kilogramme de vapeur saturée sous 11 bars et 185oC peut fournir théoriquement environ 250000 kilogrammètres ou 594 Mth pour une consommation de 702 Mth alors que la mOme quantité de vapeur surchauffée à 385oC dans un moteur muni des dispositifs faisant l'objet de la présente invention développera- environ 5 lOt 006 kilogrammètres soit 11959 Mth que ce soit dans un moteur à cycle RANKINE tel que représenté fig 5 ou à vapeur permanente suivant le cycle couvert par le Brevet Français 77-37433. Bien sûr ce sont là des rendements théoriques qu'il ne sera pas possible d'atteindre en pratique mais la différence entre la puissance absorbée et celle produite est si grande qu'il restera en réalité beaucoup plus d'énergie disponible qu'il n'en faudra pour produire l'électricité nécessaire à l'alimentation des résis -tances constituant la source de chaleur d'un tel moteur, compte tenu qu'un calorifugeage copieux et efficace de toutes les partie chaudes réduira considérablement les pertes. Ce genre de moteur ne pouvant démarrer par ses propres moyen il est prévu en R fig 5 une alimentation électrique d'origine extérieur-Xvec des inverseurs S fig 5 pour le chauffage des régis. -tances et un petit moteur débrayable de mise en régime T fig 5 mais on peut aussi, pour cette mise en température de marche, entraîner la génératrice P fig 5 à l'aide d'un moteur thermique ou autre; Le choix de la source d'énergie dépendra souvent du lie et des conditions d'emploi. La mise en régime s'effectue de la façon suivante: La vanne de sécurité U fig 5 , commandée par thermostat, étant fermée ainsi que la vanne de réglage X fig 5, il a lieu d'ouvrir la vanne V fig 5 pour établir un circuit dans le moteur; dans le cas d'énergie électrique d'appoint mettre sous tension les différentes résistances et faire tourner l'ensemble moteur- générattice au moyen du moteur T fig 5 Lorsque la pression dans le générateur de vapeur aura attein 11 bars et la température + 185oC à la sortie de l'échappement en W fig 5 on fermera la vanne V fig 5 et on ouvrira la vanne X fig 5 qui servira d'organe de réglage, entre temps la'sanve de sécuri U fig 5 aura été ouverte par le thermostat Y fig 5 taré à + 16po( il n'y aura plus qu'à débrayer et arrêter le moteur T fig 5 puis transférer progressivement sur la génératrice l'alimentation des résistances provenant de la source extérieure, au moyen des inver -seurs S fig 5. Le moteur O fig 5 sera alors en marche pour le temps que l'on désirera, voire jusqu'à usure complète, sans conssommer de combustible. TABLEAU A Quantité d'énergie qu'il est théoriquement possible d'obtenir avec 1 kilogramme de vapeur d'eau, saturée ou surchau -ffée, dans différents types de moteurs n'admettant celle-ci que pendant le quart de la course du piston. Consommation de chacun d'eux. Types de moteurs Cycle RANKINE Cycle à vape- Cycle RANKINE à vapeur -ur permanente à vapeur saturée surchauffée surchauffée 185 C à 385 C à 385 C Chaleur nécessaire pour produire 1 K de vapeur à 185 C en partant 702 Mth 702 Mth d'eau à 20 C Chaleur nécessaire pour surchauffer cette 1CO Mth. 100 Mth vapeur à 385 C pression de fonction- ll bar 11 bar & li bars -nement Volume de la vapeur 1,-7 m3 34 m3 34 m3 Kilogrammètres disponi -bles en poussée sans 170 000. 3 400 000 3 400 000 détente Kilogrammètres récupé- -rables en détente 85 000 1 700 000 1 700 000 Total 255 000 5 100 000 5 100 000 Puissance en CV-heure 0,94 18,88 18,88 Puissance en Kilowatts-heure -C,69 13,89 13,89 Equivalence thermique 594 Mth 11 959 Mth 11 959 Mth A DEDUIRE: Puissance théorique noces faire pour comprimer la vapeur permancnte de 1 à 11 bars (1/20) = soit 0,69 kilowatt-heure soit: 598 Mth + Chaleur pour surchauffe 100 Total 698 Mth A DkDUIRE: Chaleur absorbée par le moteur à cycle RANKINE: 702 + 100 = 802 Mth La régulation et les variations de régime ou puissance peuvent s'obtenir de différentes manières sans que cela ne change rien au principe de l'invention. La vapeur d'échappement sera condensée en Z fig 5 et l'eau obtenue réintroduite dans le circuit du fluide moteur par la pompe fig 5 puis préchauffée par la vapeur d'échappement en 2 fig 5 avant de retourner au générateur N fig 5 selon le processus bien connu du cycle de RANKINE. Une soupape de sûreté tarée par exemple à14 bars 3 fig 5 débitera dans le condenseur Z fig 5 en cas de surpression accidentelle. 1e générateur N fig 5 fonctionnera automatiquement, ses résis -tances multiples de chauffage Q fig 5 , mises sous tension chacune par un mano-contact à réglage décalé de 100 millibars environ par rapport à chacun des autres maintiendront une pression à peu près constante quels que soient les débits de vapeur. Dans la fig 5 le générateur N est représenté avec trois résistances mais ce nombre n'est pas limitatif la quantité étant généralement déterminée par la puissance du moteur. Une particularité de cemoteur est que même à pleine charge la vapeur n' est admisse dans le cylindre que pendant une partie seule -ment de la course du piston (1/4 environ de cette course) de telle sorte que la poussée sans détente puis ensuite l'expansion s'effec -tuent dans le même cylindre et non dans des cylindres multiples comme c'était le cas dans les machines compound. Voici d'ailleurs comment se décomposent les différentes phases d'un cycle: La fig 1 représente le piston au point mort haut. La partie de course 4 fig 2 représente la durée d'ouverture de la soupape d'ad -mission c'est à dire la poussée sans détente. La partie de course formant détente est représentée en 5 fig 3 et 4, au cours de cette détente les deux soupapes sont fermées. La partie de course 6 fig 4 représente le début d'échappement qui doit commencer bien avant l'arrivée du piston au point mort bas. l'échappement se poursuit pendant la remontée du piston 7 fig 4, il peut y avoir intérêt notamment dans les moteurs à régime rapide ( par exemple 3000 TM ) à fermer l'échappement quelques millimètres avant le point mort haut mais cela sera défini expérimentalement. L'ouverture et la fermeture des soupapes devront être très rapides, spécialement celle d'admission dont un système de com -mande, non limitatif, est représenté par la fig 6. Les différents dispositifs de commande des soupapes sont assez connus pour qu'il ne soit pas nécessaire de les détailler, il y a cependant lieu de signaler plusieurs particularités qui se rapportent à la présente invention: 1) Came de grand diamètre à attaque rapide 8 fig 6. 2) Mécanisme placé plus bas que les soupapes afin de retenir le lubrifiant. 3) Chauffage de ce lubrifiant à 210oC environ pour éviter que la vapeur s'infiltrant autour de la tige de soupape vienne se condenser dedans et le souiller, A cet effet un thermomètre relié à un plongeur 9 fig 6 indiq la température, celle-ci pourra être remontée par la résistance 1 fig 6. Dans les installations importantes où de puissants moteurs fonctionneront en continu, un système d'épuration et de réglage automatique de la température pourra être prévu comme cela existe déjà pour l'huile du carter de moteur. Le mécanisme de commande de la soupape d'échappement représe par la fig 7 comporte lui aussi une prise de température 9 fig 7 une résistance de chauffage 10 fig 7, comme pour la soupape d'adz -sion l'arbre à cames 14 fig 7 est plaéé:beancoup plus bas que la soupape 13 fig 6 afin que le lubrifiant 15 fig 7 puisse être mai -tenu sans perte dans le carter 16 fig 7. La nécessité de tenir la tête de cylindre très chaude ( 4500 ou plus) pour tirer suffisamment d'énergie de la vapeur, et le maintien à une température modérée, compatible avec une bonne lubi -fication,de la partie de cylindre servant a assurer i4étancheite et le guidage du piston ont conduit à concevoir: A) D'une part un cylindre en plusieurs pièces. B) D'autre part un piston long à tête non frottante et isole thermiquement. En 20 fig 10 la tête du cylindre qui se trouve attenante à ] culasse 21 fig 10 est tenue aux environs de 4500C par la résistar G fig 10 un anneau 22 fig 10 en matériau mauvais conducteur thei -mique ( par exemple carborundum fretté, Saillechort etc...) frei -era le transfert de chaleur vers l'autre partie du cylindre 23 i 10 dans laquelle coulisse le piston et dont la température ira er se dégradant à mesure qçon se rapprochera de la partie refroidie par les ailettes 24fig 10 permettant ainsi une lubrification normale. La tête non frottante, comprise entre les points 28 et 25 fi 10 a pour but d'éloigner la face très chaude de ce piston de la partie frottante qui elle est comprise entre les points 28 et 25 fig 10 de façon à maintenir la plus grande différence de tempéra possible entre ces deux parties, en outre cette tête non frottant doit être assez longue pour eviter qu'en fin de course la partie frottant du piston se trouve en contact avec la paroi surchauffe du cylindre et même pas avec l'anneau isolant thermique 22 fig 1( Cette disposition qui rappelé le système de piston plongeur utili dans certaines pompes hydrauliques à haute pression présente l'ir -convénient d'augmenter considérablement la surface de parois en contact avec la vapeur surchauffée mais on remédiera à cette conc -quence nuisible en ne laissant qu'un espace très réduit entre partie non frottante du piston et la paroi du cylindre, un jeu de 1/10 de m/m par exemple à chaud devra suffire et le volume de vai nécessaire au remplissage de cet espace sera si minime que cette solution n'entraînera pas de perte importante. Il sera possible de simplifier la fabrication de ce moteur supprimant le chauffage de la tête de piston, mais en ce cas cel] -ci devra être fortement calorifugée à l'aide d'un matdriau léger, résistant à une temprature élevée et aux chocs de plus lorsque ce calorifugeage sera placé sur la tête du piston comme il est montré en 27 fig 11 - 12 et 17, par conséquent soumis aux variation répétées de pression, il devra être étanehe et non poreux mais il existe dans le commerce un choix de produits adéquats auxquels viennent actuellement s'ajouter des composites à base de fibre de carbone et résines qui deviennent des matériaux ultra légers aux propriétés mécaniques remarquables jusqu'a plus de 2000QC. Cette isolation thermicue de la tête du piston peut être r Ainsi la fig 13 montre un piston à tête rapportée 99 fig 13 cette tête qui n'est pas forcément du même métal ou matériau que la jupe se visse sur celle-ci en 34 fig 13 et maintien un bloc isothermique 7 fig 13 dont toutes les faces sont polies ou glacées voire chromées avec vide intérieur en 36 fig 13 suivant le système DEWAR, toutes les faces de cette tête 73 fig 13 doivent elles aussi être glacées même chromées pour réduire l'échange thermique par rayonnement. Enfin certains métaux frittés ou certains matériaux composites auto-lubrifiants permettront vraisemblablement de réaliser des pistons à tête chaude frottante mais de toutes manières le fait de ne pas chauffer la tête de piston nécessitera une élévation de température de la vapeur à 550 ou 600QC environ en E fig 5 ou 30 et 52 fig 14 et 15 c'est à dire juste avant son admission dans le cylindre. A cet effet les surchauffeurs C fig 5 et 30 - 31 fig 14 et 15 alimentés en basse tension, par exemple 12 volts, sont établis de telle sorte que la vapeur se trouve en contact direct avec le métal de la résistance lequel est prévu pour être maintenu en permanence à une température d'environ 1200 C, il n'y aura donc pas de dificul pour obtenir de la vapeur à 6OOQC voire plus sic'est nécessaire, Le surchauffeur de chambre d'admission fig 14 - 15 - 16 se compose d'un bloc réfractaire 31 fig 14 - 15 - 16 percé de trous 32 fig 14 - 15 dans lesquels sont placées des résistances 30 fig 14 - 15- 16 qui présentent la particularité d'être tubulaires ce qui permet à une partie de la vapeur de passer à l'intérieur et d'augmenter ainsi la surface d'échange pour une section donnée. Avec des résistances tubulaires carrées de 2,5 m/m de c8te constituées en métal mince de 5/100 de m/m d'épaisseur on obtient 20 m/m2 de surface d'échange par m/m de longueur alors qu'un fil rond de même section: 0,5 m/m2 soit d'un diamètre de 8/10 de m/m ne présentera que 2,5 m/m2 de surface d'échange par m/m linéaire soit 8 fois moins. Par ailleurs le faible espace existant entre ces résistances et la paroi des trous du bloc réfractaire dans lesquels elles sont placées oblige la vapeur à frôler la paroi externe de ces résista -ances réalisant ainsi un excellent échange thermique. Un chauffage partiel de la tête de piston est possible mais pour être éfficace la plaque chauffante 27 fig 1? doit être dispose de manière à être percutée par la vapeur lors de son entrée dans 1e cylindre comme il est montre en 38 fig 12. Enfin le siège de soupape d'admission, endroit où la vapeur ee particulièrement laminée, peut lui aussi être chauffé par une réside -ance plate, mince, comme il est mothré en 39 fig 12 Les biellettes M fig 5 et 17 d'alimentation de la résistance fig 5 et 17 chauffant la tête du piston pourront transmettre le courant par leur masse à condition de les monter sur des tourillons ou coussinets non conducteurs de l'électricité ou encore par un ou plusieurs fils isolés incorporés dans celles-ci comme on le voit ex 40 fig 18. A la condition que la génératrice P fig 5 dispose d'un exceder de puissance, des résistances de lestage pourront être montées en particulier sur les moteurs de véhicules pour qu'à l'arrêt de ceux le moteur se maintienne en régime de fonctionnement, ces résistance qui débiteront leur chaleur dans l'atmosphère seront déconnectées automatiquement dès qu'un besoin d'énergie cinétique se manifesterc cette déconnection sera obtenue par simple synchronisation des commandes d'accélérateur et d'interrupteur. Cette description ainsi que les dessins qui l'accompagnent ne sont pas limitatifs, les différents systèmes de commandes, d'alPmeP -tation etc... peuvent être établis de toutes autres manières voire programmées électroniquement sans que cela ne change rien au princi de l'invention qui est de surchauffer la vapeur Juste avant et penc qu'elle dégage son énergie de façon telle que le moteur produise p) d'énergie qu'il n"en consomme et qu'il s'auto-alimente thermiquemer Les moteurs réalisés suivant le principe de la-présente invent type que nous dénomerons à "Auto-Thermo-Alimentation", ne consomman à peu près rien, apporteront une solution totale, définitive, et no polluante aux angoissants problèmes énergetiques dont nous subisson actuellement en France, et dans d'autres pays du monde, les fâcheus conséquences; Insensible aux différences d'altitude ce type de moteur doit révolutionner le transport aérien en conférant aux avions un rayor d'action pratiquement illimité, les délestant du poids du carbura et abaissant le prix de revient kilomètrique du montant de celui-c N'absorbant et ne reJetant rien ce type de moteur peut prou) -ser des sousemarinss au même titre que les réacteurs nucléaires mE avec un dégagement de chaleur environ 20 fois moindre et la disspa -tion des risques de radiation ou autres afférents à ce système. En matière de chauffage, actionnant des groupes électrogène dont la gamme de puissance n'est pas limitée il peut remplacer par le chauffage électrique tous les combustibles fossiles ou autres et ce depuis le chauffage domestique Jusqu'à la métallurgie en passent par le four du boulaggar, la briqueterie, la cimenterie el Les véhicules propulsés par ce moteur, voitures, camions, tracteurs ec.;.-peuvent être equipés pour une utilisation mixte en groupe électrogène et en chauffant la nuit votre maison se maintiendront en régime et seront prêts à être utilisés le lendemc matin pour leur usage normal. REY:NDICATIONS (1) Moteur caractérisé par le fait que la vapeur n'est pas surchauffée à distance dans le générateur qui la produit mais juste avant son introduction dans la capacité où elle transmet son énergie et dans cette capacité même pendant qu'elle transmet cette énergie et dégage celle qu'elle contient. (2) Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que les parois de cette capacité, circonscrite par la culasse, une partie du cylindre et la tête du piston, sont maintenues à une température élevée (400gC et plus) par un système de chauffage et calorifugeage approprié, ce qui fait qu'à l'inverse des moteurs connus jusqu ici ce n'est pas la vapeur qui réchauffe le cylindre et autres parois mais ces parois qui surchauffent la vapeur au moment précis où elle transmet et dégage son énergie, ce qui est capital. (3) Moteur suivant les revendications 1 et 2 Caractérisé par le fait que le chauffage du générateur de vapeur, du système de surchauffe, et en particulier des parois de la capacité dans laquelle la vapeur dégage son énergie, est assuré électriquement, le courant étant fourni par une génératrice entratnée par le moteur lui-même sans autre apport extérieur que celui nécessaire à la mise en régime de ce moteur qui pourra tourner ensuite indéfiniment de façon autonome et fournir de l'énergie sans consommer de combustible ou carburant. (4) Suite aux revendications 1 - 2 - 3 ce moteur est également caractérisé par le fait que, même à pleine charge, la vapeur n'est admise dans le cylindre que pendant une partie seulement de la course du piston (1/4 environ) et effectue pendant ce temps un travail de poussée sans détente, puis ensuite dégage par détente l'énergie qu'elle contient, ces deux opérations- distinctes s'éffectuent ainsi dans le même cylindre et non dans des cylindres multiples comme cela se passe dans les machines dites "Compound". (5) Dispositif suivant la revendication 3 caractérisé par le fait que le métal composant certaines résistances de surchauffe sera en contact direct avec la vapeur sans interposition de blindage, de faible épaisseur et de section tubulaire pour que la vapeur puisse circuler à l'intérieur et à l'extérieur de ce tube, doublant ainsi la surface d'échange. (6) Suivant la revendication 3 ce dispositif est caractérisé par le fait qu'en marche à vide la génératrice débitera sur des résistances de lestage dispersant la chaleur produite dans l'atmosphère ou l'emplo -yant à des fins utiles mais exigeant du moteur une certaine quantité d'énergie qui le maintiendra à sa température normale de fonctionnement et immédiatement disponible en cas de besoin, la déconnexion de ces résistances sera, en principe, synchronisée avec la commande de l'accélérateur. (7)- Dispositif suivant les revendications 1-2-5 caractérisé par le fait que l'ensemble comporte un système de sécurité n'autorisant l'entrée de vapeur dans le moteur que lorsque celui-ci a atteint une température suffisante pour éviter toute condensation. (8) Dispositif suivant les revendications 1-2-3 caractérisé par le fait qu'une résistance chauffera le ou les points bas de l'ensemble pour éviter un dépôt d'eau de condensation et les coups de liquide qui svensuivraient à moins que le point bas soit constitué par le générateur lui même. (9) Dispositif suivant la revendication 3 caractérisé par le fa que le chauffage du générateur sera assuré par des résistances multi plies commandées individuellement et automatiquement par les variati de pression dans ce générateur et de telle sorte que la mise en circ de chacune d'elle s'effectue à une pression légèrement différentes d autres, par exemple de O à 100 millibars (10) Moteur suivant les revendications 1-2-3 caractérisé par le fait que son ou ses cylindres sont établis en plusieurs pièces: g) l'une,chauffée, forme chambre de poussée et détente; 2) lautre5refr sert de guide au piston et assure l'étanchéité; 3) un anneau isolant thermique placé entre ces deux parties freine la transmission de cha de l'une à l'autre par conductibilité. (il) Moteur suivant la revendication 3, caractérisé par le fait que la face du piston en contact avec la vapeur peut être chauffée aux environs de 400QC par une résistance alimentée par des biellette conductrices articulée5. (12) Moteur suivant la revendication 11 caractérisé par le fait qu'il et équipé de pistons à longue tête non frottante et isolée thermiquement en vue de tenir la face de cette tête à une températur très élevée (plus de 400QC) tout en maintenant la jupe et les segmen à une température compatible avec les contraintes de la lubrificatio cette revendication nBexcluant pas les possibilités d'utiliser des métaux ou matériaux autolubrifiants. (13) Moteur suivant la revendication 3 caractérisé par le fait qu'il comporte une ou plusieurs résistances de faible puissance susc -tibles d'être, à l'arrêt, branchées sur le secteur pour maintenir l'ensemble en température et permettre une remise en route rapide. (14) Moteur suivant les revendications 1-2-3 caractérisé par le fait que le mécanisme de commande des soupapes est situé en dessous de celles-ci afin de retenir le lubrifiant. (15) Dispositif suivant la revendication 14 caractérisé par le fait que le lubrifiant sera maintenu à une température supérieure au point de condensation de la vapeur.