Brevet FR2576061A1 — publié le 19860718

L'invention se rapporte à un procédé pour fournir de la chaleur à un moteur à fourniture extérieure de chaleur par combustion intermittente et à un moteur pour la mise en oeuvre de ce procédé. Un moteur à gaz chaud fonctionne en circuit thermo- dynamique fermé dans lequel un fluide moteur, comme de l'hydrogène, de l'hélium ou de l'air, est fourni avec de la chaleur à partir d'un réchauffeur. Le réchauffeur est alimenté par de la chaleur extérieure, par exemple par la combustion d'un combustible dans un brûleur. Le transfert de la chaleur est considérablement amélioré lorsque la combustion est effectuée par intermittance parce que la création d'interfaces isolantes dans le brûleur est évitée par la vitesse et la direction constamment changeantes du courant des gaz de combustion. De plus, il est possible de faire que la fourniture d'air au brûleur et l'évacuation des gaz d'échappement de ce dernier aient lieu automatiquement, si bien qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser un ventilateur exigeant beaucoup d'énergie. Dans les moteurs à fourniture extérieure de chaleur, par exemple les moteurs à gaz chaud, on utilise normalement des brûleurs fonctionnant en régime continu de combustion, de grandes surfaces de transfert de chaleur et des vitesses élevées de circulation des gaz de combustion étant nécessaires pour que l'on obtienne le transfert de chaleur souhaité jusqu'au moteur. Ceci donne naissance aussi à la nécessité d'un ventilateur puissant dont le besoin en énergie diminue le rendement sur l'arbre du moteur dans une mesure indésirable. Les difficultés d'exécuter convenablement une combustion intermittente dans les moteurs à fourniture extérieure de chaleur ont pour conséquence qu'il existe aujourd'hui à peine un unique procédé praticable à cet effet. Le but de la présente invention est d'incorporer la fonction de combustion intermittente dans le brûleur d'un moteur à gaz chaud de manière telle que les conditions du transfert de chaleur soient satisfaites pendant le maintien de la combustion intermittente. Ce but est atteint selon l'invention par la disposition du jeu des clapets du brûleur avant le réchauf- feur d'air, s'il existe, et avant le circuit d'injection de combustible-. Dans un turbolateur, de l'air et du combustible sont mélangés et allumés au moment du démarrage à l'aide d'une bougie d'allumage qui peut être déconnectée pendant le fonctionnement continu, étant donné qu'un allumage spontané se produit. Dans le brûleur, le réchauffeur du moteur avec des tubes de réchauffage ou des tubes à ailettes, est agencé de telle manière que le mouvement intermittent des gaz de combustion n'est pas gêné. Finalement, le circuit d'échappe- ment est conçu d'une manière telle que la chaleur résiduelle est récupérée, soit pour chauffer l'air qui entre, soit pour chauffer par exemple de l'eau d'un circuit de distribution d'eau chaude. Dans cette partie du circuit de combustion les conditions d'un écoulement intermittent doivent aussi être satisfaites. La fonction intermittente est obtenue par l'exploitation de l'inertie de l'air froid qui entre et de l'inertie des gaz de combustion chauds qui sortent. Le processus est contrôlé au moyen des corps des gaz chaud et froid mentionnés ci-dessus, par la soupape d'admission et par l'allumage du mélange combustible/air se reproduisant automatiquement dans le brûleur. La fonction intermittente implique que le courant d'air et le courant des gaz d'échap- pement ont lieu automatiquement au même moment étant donné que le transfert de chaleur dans le réchauffeur du moteur en est considérablement amélioré. Des exemples de tels circuits de chauffage sont illustrés par deux modes de réalisation différents. - la figure 1 montre un circuit dont le but est de fournir une puissance maximale sur l'arbre, ce qui nécessite un préchauffage efficace de l'air. - La figure 2 représente un circuit moins perfec- tionné dans lequel L'énergie produite est prélevée à La fois sur L'arbre de sortie et comme eau chaude. Dans tous Les moteurs à gaz chaud, comme dans Le cas des figures 1 et 2, l'eau froide chauffée provenant du moteur peut être utilisée aussi à des fins de chauffage. La puissance disponible sur l'arbre peut servir à l'entraînement de machines, pour produire de l'électricité ou pour entraîner une pompe à chaleur ou une unité de conditionnement d'air. La figure 1 i llustre un moteur comprenant un moteur à gaz chauds 1 entrainant un dispositif 2 qui peut être une machine, un générateur d'électricité, une pompe à chaleur ou une unité de conditionnement d'air. Le moteur à gaz chauds a de manière connue en soi un refroidisseur la avec une alimentation lb en eau de refroidissement et un générateur lc. L'alimentation en chaleur est effectuée au moyen du réchauffeur ld et des tubes le de ce dernier. De l'air entre en 3a à l'intérieur du brûleur à travers un clapet de non retour 3. Dans un préchauffeur d'air à contre- -courant 4 l'air est chauffé et mélangé ensuite avec du combustible 5a provenant d'un injecteur de combustible 5b alimenté par une tubulure de combustible 5. Au moment du démarrage, le combustible est allumé par une bougie d'allumage c et, ensuite, il est allumé automatiquement du fait de la recirculation des gaz de combustion chauds ou sous l'effet d'un corps incandescent spécial 5d disposé dans un générateur de turbulence 6 qui contribue à une combustion efficace du mélange combustible/air. Les gaz de combustion circulent ensuite-à travers le réchauffeur 7 du moteur à gaz chauds sur le côté extérieur de ses tubes de réchauffage le. La chaleur qui ne peut pas être utilisée directement par te moteur à gaz chauds est récupérée ensuite dans l'échangeur de chaleur à contre- -cou'rant 4 mentionné plus haut, et les gaz de combustion sont évacués à travers la tubulure d'échappement 8. La figure 2 illustre une variante moins complexe du moteur avec lequel le but est d'obtenir à la fois de L'énergie sur l'arbre et de L'énergie pour chauffer V'eau. Dans ce cas, le moteur à gaz chauds 1 entraîne aussi une machine, un générateur de courant, une pompe à air ou une unité de conditionnement d'air 2. Le moteur est refroidi par de l'eau de refroidissement lb qui peut être utilisée pour des usages de chauffage, si on le souhaite. Dans cet exemple le régénérateur et le refroidisseur du moteur sont intégrés dans le cylindre de ce dernier. Le cylindre du moteur se projette à l'intérieur du courant des gaz d'échappement provenant du brûLeur et il est muni d'ailettes de réchauffage favorables à un transfert efficace de la chaleur. L'air de combustion 3a entre par intermittence à travers des clapets d'admission 3, après quoi il est méLangé avec du combustible a fourni par une tubulure de combustible 5 et injecté par l'injecteur de combustible 5b. Au moment du démarrage du brûleur, le combustible est allumé par une bougie d'allumage c qui est déconnectée ensuite et l'allumage intermittent est obtenu par la recirculation des gaz d'échappement chauds ou à l'aide d'un corps incandescent 5d. Apres la combustion, les gaz de combustion circulent à travers le réchauffeur 7 du moteur o une partie des calories de ces gaz est transfé- rée au moteur à gaz chauds. La chaleur résiduelle est absorbée substantiellement par un réchauffeur d'eau 9 qui chauffe de l'eau 9a pour divers emplois. Les gaz d'échappement sont évacués ensuite à travers une tubulure d'échappement 8. Les deux figures se rapportent à de simples exemples de mise en oeuvre de l'invention. Le moteur à gaz chauds peut être remplacé par d'autres moteurs à fourniture extérieure de chaleur, comme une turbine à gaz (à cycle de Brayton ouvert ou fermé), un moteur alternatif à vapeur ou une turbine à vapeur (à cycle de Rankine). Le combustible envoyé au brûleur peut être gazeux, liquide ou solide sous forme poudreuse. Le clapet mécanique à air peut être un clapet aérodynamique. L'échangeur de chaleur à eau de la fig. 2 peut être remplacé par un échangeur de chaleur gaz-gaz. - Enfin, le moteur à gaz chauds représenté sur les deux figures peut être un moteur à pistons libres fournissant une puissance électrique, hydraulique ou pneumatique. REVENDICATIONS 1. Procédé pour fournir de la chaleur à un moteur (1) à fourniture extérieure de chaleur par la combustion d'un mélange de combustible (5a) et d'air de combustion (3a) dans un brûleur (ld), caractérisé en ce que la combustion a lieu par intermittence. 2. Procédé seton la revendication 1 selon lequel le brûleur (ld) a des moyens (3) d'alimentation en air de combustion (3a), un circuit d'injection (5, 5b) pour l'arrivée du combustible (5a), un réchauffeur (7) pour fournir de la chaleur, et un circuit d'échappement (8) pour l'évacuation des gaz de combustion, caractérisé en ce qu'on dispose les moyens d'alimentation en air de combustion (3a) comme un dispositif à clapets (3) qui est placé avant le circuit d'injection de combustible (5, 5b), on dispose un turbolateur (6) entre le circuit d'injection de combustible (5, 5b) et le réchauffeur (7) pour mélanger te combustible (5a) avec l'air de combustion (3a), et on dispose le réchauf- feur (7) dans le brûleur (ld) d'une manière telle que le mouvement intermittent des gaz de combustion n'est pas gêné. 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'on réalise le circuit d'échappement (8) de telle manière que de la chaleur résiduelle est récupérée, de préfé- rence pour le préchauffage de l'air de combustion (3a) ou pour le chauffage d'eau d'un circuit d'alimentation en eau chaude, pourvu que les conditions de l'écoulement intermit- tent soient satisfaites. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 3 caractérisé en ce qu'on obtient l'écoulement intermittent en utilisant l'inertie de l'air froid de combustion qui arrive (3a) et l'inertie des gaz chauds d'échappement qui sortent. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions I à 4 caractérisé en ce qu'on produit l'allumage du mélange combustible (5a) et air de combustion (3a) dans le générateur de turbulence (6) au moment du démarrage à l'aide d'une bougie d'altumage (5c) aui est déconnectée pendant te fonctionnement continu étant donné qu'un allumage spontané se produit. 6. Moteur à fourniture extérieure de chaleur par la combustion d'un mélange de combustible (5a) et d'air de combustion (3a) dans un brûleur (1d) ayant des moyens (3) d'alimentation en air de combustion (3a), un circuit d'injec- tion (5, 5b) d'alimentation en combustible (5a), un réchauf- feur (7) pour fournir de la chaleur au moteur (1), et un circuit d'échappement (8) pour l'évacuation des gaz de combustion, caractérisé en ce que, pour produire une combustion intermittente, les moyens d'alimentation en air de combustion (3a) consistent en un jeu de clapets (3) qui est disposé avant le circuit d'injection de combustible (5, 5b), cependant qu'un générateur de turbulence (6) est disposé entre le circuit d'injection de combustible (5, 5b) et le réchauffeur (7) pour mélanger le combustible (5a) et l'air de combustion (3a) et que le réchauffeur (7) est disposé à l'intérieur du brûleur (ld) de telle sorte que te mouvement intermittent des gaz de combustion n'est pas gêné. 7. Moteur selon la revendication 6 caractérisé en ce que le circuit d'échappement (8) est conçu de sorte que la chaleur résiduelle peut être récupérée, de préférence pour préchauffer l'air de combustion (3a) qui arrive ou pour chauffer de l'eau d'un circuit de distribution d'eau chaude. 8. Moteur selon l'une quelconque des revendica- tions 6, 7 caractérisé en ce qu'il comprend une bougie d'allumage (5c) pour allumer le mélange de combustible (5a) et d'air de combustion (3a) pendant le démarrage, cette bougie d'allumage étant déconnectée pendant le fonctionnement continu puisque l'allumage spontané se produit. 9. Moteur selon l'une quelconque des revendica- tions 6 à 8 caractérisé en ce qu'un préchauffeur d'air (4) est disposé entre le jeu de clapets (3) et Le circuit d'injection de combustible (5) et ce préchauffeur est traversé par les gaz de combustion après le réchauffeur (7) pour chauffer à l'aide de la chaleur résiduelle l'air de combustion qui arrive (3a). 10. Moteur selon l'une quelconque des revendica- tions 6 à 9 caractérisé en ce qu'il comprend un corps incandescent (5d) monté dans le turbolateur (6) pour assurer et entretenir la combustion intermittente.