Brevet FR2646213A1 — publié le 19901026

La présente invention concerne l'éjecteur d'induction et compression volumétriques. Les éjecteurs sont des appareils simples, robustes, qui permettent de véhiculer et compresser un fluide, par la détente et recompression d'un fluide moteur de nature iden -tique ou différente. Par éjecteur, éjecto-compresseur, ou thermo-compresseur, on désigne l'ensemble des appareils qui vont de l'éjectair à l'injecteur. Binjecteur actuel ou "Giffard", du nom de son inventeur, a un fonctionnement particulier du fait de l'écart important d'enthalpie, entre la vapeur motrice, et l'eau à injecter dans la chaudière. I1 y a une détente partielle de la vapeur dans l'émulsion diphasique, qui prend une vitesse suffisante à vaincre l'énergie de pression à la chaudière. lis à part le *Giffard", avec lequel on doit limiter l'en -trainement d'eau, lorsque son réservoir est en charge; les autres appareils ont un très faible taux d'entrainement, ce qui en limite l'intérêt d'utilisation. Le jet moteur a en général une forme d'expansion tron -conique, d'un angle de 5 à I00, pour atteindre une vitesse maximum par détente à un niveau de pression proche de la tension de vapeur du fluide à véhiculer. Â la périférie du jet, des molécules à grande vitesse entraine par friction (chocs et dépression de vitesse) les molécules à transférer. Le mélange dans le diffuseur, ou à sa sortie, est recompri -mé, à la valeur de la contre-pression. Le rendement est très faible, seule la périférie du jet est active, l'essentiel du jet traverse le diffuseur sans four -nir de travail. On a cherché à augmenter l'entraînement par utilisation de jets multiples, inclinés, dirigés sur la périférie de l'entrée conique du diffuseur. On a de même utilisé des jets de formes diverses, qu'ils soient plats ou elliptiques pour augmenter la surface de contact, mais, avec perte de densité énergétique. On a aussi essayé des jets creux, présentant de ce fait une dépression d'induction en leur milieu; mais, les molécules à entraîner doivent traverser le jet moteur, le disperser. Les jets creux avec ouvertures en fentes, manque -raient de compression. Les tuyères rotatives et jets rota -tifs divers, ont une dispersion de la densité énergétique. Malgrè quelques améliorations, la quantité massique de e fluide véhiculé, n'est environ que de I/IOe de la quantité motrice. Alors que la potentialité énergétique du fluide moteur est selon les cas de 5, IO, I5, 20 fois supérieure, et d'avantage. Les formes spécifiques des tuyères de la présente in -vention, génèrent des jets tronconiques ou cylindriques, en hélices homogènes. Le pas moyen de ces hélices engendre des volumes qui induisent des quantités de fluide à trans -férer, dont l'essentiel est comprimd dans le diffuseur, par déformation du pas des hélices motrices, tendant à s'empiler par la contre-pression, comprimant le fluide à transférer par la transformation d'une part volontairement variable de l'énergie de vitesse en énergie de pression. L'usinage des tuyères est en général réalisé par élec -troérosion, dans un mouvement combiné de translation et de rotation, suivant le pas d'une face d'hélice, ou pas moyen; les deux faces d'une mdme hélice étant en général de pas différents, pour l'expansion du fluide moteur. Les électro -des nécessaires à cet usinage sont en général réslisées par fraiseuses à commandes numériques 3 axes. Les matrices d'hé -lices sont suivant les cas usinées dans la partie tuyère proprement dite, dans un noyau disposé dans l'axe de la tuyère, ou, de part et d'autre de la tuyère et son noyau. Après usinage les empreintes sont polies. Le pas des hélices est indifféremment à droite ou à gauche. Les jets produits sont avec ou sans noyau de fluide. La ou les demi-hélices sont jointives pour former une hélice complète, ou avec vide central; elles sont de sections diver -ses: rectangulaires, trapézoidales en cornières, ou autres formes. Comme dans un même jet, il est possible que des hélices soient différentes entre elles. Le volume de l'ensemble des hélices d'une mtme tuyère, le pas moyen, l'inclinaison de sortie de celles-ci, la conicité ex -térieure de O à I00, la section de chaque jet, l'expansion: sont déterminés en fonction de cas types et des conditions d'utilisations. Ainsi que la distance de sortie de tuyère par rapport à l'entrée du diffuseur, les dimensionnements de ce dernier. La distance de sortie de tuyère par rapport à l'entrée du diffuseur, peut être éventuellement variable auto -matiquement, en fonction de quelque paramètre de meilleur fonctionnement. Une étude sur cycle thermodynamique, permet de déterminer le modèle d'éjecteur optimum, en rapport de la potentialité énergétique disponible. I1 est possible de disposer plusieurs tuyères vers le diffu- -seur d'un mme éjecteur. En variante de la tuyère qui génère un ou plusieurs jets en hélices, il est disposé dans la tuyère de sortie du jet moteur: une hélice mécanique dont son axe est monté sur palliers. Celle-ci est entrainée à grande vitesse par lté- -coulement du fluide. L'énergie est transmise par quelque dispositif que ce soit, à une seconde hélice d'aspiration et compression du fluide à véhiculer, disposée dans l'axe d'une tuyère convergente. En seconde variante, en bout d'axe de l'hélice motrice est monté un alternateur pour production de courant électrique à quelque usage que ce soit. En troisième variante, l'énergie disponible sur l'axe de l'hélice, est utilisée directement pour quelque usage que ce soit. Dans de nombreux cas, le haut rendement de ces nouveaux appareils met-en cause l'usage comparatif de moto-compresseurs ou autres matériels; comme il se présente des possibilités d'utilisations nouvelles; dont une nouvelle génération de pompes à chaleur. La figure nO I, représente sommairement un éjecteur. La figure nO 2, représente à l'échelle un exemple de cycle thermodynamique tritherme. La figure nO 3, représente un jet moteur de l'invention avec noyau central. La figure n04: un autre jet à trois pales d'hélices, ou trois demi-hélices, de sections en équerres non jointives, avec vide central. La figure n05: un autre jet à trois pales d'hélices de fortes sections rectangulaires, non jointives, avec faible vide central. La figure n06: un éjecteur à hélices mécaniques, à trois pales sur axes. La figure n07: par une hélice à trois pales sur axe, trans -formation simple de chaleur en énergie électrique. La figure I planche I, représente un éjecteur de type général. I1 est constitué pour l'essentiel: d'une tuyère convergente divergente (I), d'un collecteur (2), d'un diffuseur (3); ensuite, d'une arrivée (4) de fluide moteur (A), d'une arrivée (5) de fluide à transférer (B), d'un conduit d'évacuation (6) du mélange (C)* Le fluide moteur (A) à haute pression, par détente, prend une grande vitesse entre le col de la tuyère (I), et son arrivée à l'intérieur du diffuseur (3). La grande vitesse de ce jet, va induire par friction le fluide basse pression à transférer. le mélange (C), est refoulé à moyenne pression vers le conduit (6). La figure 2 planche I, représente à l'échelle un cycle thermodynamique tritherme: la potentialité énergétique (M), est celle d'un kilogramme de fluide moteur (A), détendu au niveau de qualité (B) du fluide à transférerF (C) indique le niveau de qualité de la contre-pression, en rapport du refroidissement. (m) indique en fonction des données, la quantité d'énergie nécessaire pour faire passer chaque kilogramme de fluide du niveau (3) au niveau (C). Avec les éjecteurs actuels, le taux n'est qutenviron de I entraîné pour 10 moteurs Pour un rendement mécanique de Ion%, un entrainement maximum, le rapport d'entrainement dans l'exemple est de: (aa) 53k3 = 2,2 La source de chaleur (B) est à 50c Le niveau de qualité de (A): 10000+ (seulement), représente pour la production de Ikg de vapeur motrice: 2IOkj Le niveau de qualité (C): 450c; quantité de chaleur: 163kj Le gain apparent est de I63ki I 2s2 = 1,70 Le gain réel est de (I63kj X # 2) - 47kj = 1,48 Si le niveau de qualité (A), se rapprochait des hautes températures habituelles de source chaude pour tranformation de chaleur en courant électrique: le gain ci-dessus déjà significatif, augmenterait dans des proportions très impor- -tantes. Toujours pour un entrainement proche du maximum possible théorique. La figure 3 planche 2, représente l'un des jets moteurs obtenu par un éjecteur de la présente invention. A la sortie de la tuyère (I), le jet (5) a une expansivité conique et surtout longitudinale, jusqutà son entrée dans le diffuseur (3), où la conicité s'inverse comme l'expansivité longitudinale, pour compresser le mélange; en transformant une part de l'énergie de vitesse en énergie de pression. Les pales d'hélices à la sortie de la tuyère induisent entre elles et le noyau central des quantitésvolumétriques de fluide à transférer (7). A l'arrivée dans le diffuseur (3), l'inclinaison des hélices augmente, en s'écrasant du fait de la contre-pression, jusqu'à tendre vers l'empilement en en -trainant et comprimant de façon volumétrique: des quantités de fluide (7). Le mélange est éjecté vers le niveau de contrepression (C). La forme de tuyère qui permet d'obtenir ce jet est générale -ment usinée par électro-érosion, dans un mouvement combiné de translation et rotation, en fonction du pas moyen des hélices dans un éventuel orifice primaire du diffuseur (I). Il est aussi possible de réaliser des tuyères par surmoula -ges plastiques sur empreintes en noyaux. Le début de détente et de mise en forme du jet moteur (5), ae fait dans l'empreinte de tuyère ainsi usinée et polie; éventuellement surmoulée. La figure 4 planche 3, représente l'un des jets moteurs composé de pales d'hélices de sections identiques en équerres non jQintives et sans noyau central, pour un entrainement supérieur au cas précédent. L'ensemble du jet va induire dans l'espace libre des quan -tités (7), qui seront emprisonnées et comprimées dans le diffuseur (3), par double rapprochement des pales d'hélices motrices. Ici, en variante, la tuyère (I) à une forme classique, l'em -preinte des hélices est obtenue par usinage du noyau (II), qui est ensuite maintenue en place dans la tuyère (I), par quelque moyen que ce soit. Le début de détente se fait dans les empreintes du noyau (Il); cette détente est réglez dans tous les cas pour avoir une amplitude maximum sur une, deux, ou trois dimensions. La figure 5 planche 4, représente un jet composé de sections identiques rectangulaires non jointives et sans noyau central. L'ensemble va se comporter comme le jet de la figure 4. La tuyère (I) est usinée comme l'est celle de la figure 3. Le noyau (II) après une forme en ogive est cylin -drique et, en cône de sortie de quelque sens: il génère l'évidement central. La figure 6 planche 5, représente la variante à hélices mécaniques. Un rotor à hélices a son axe monté sur palliers dans l'axe de la tuyère (I), le rotor est entrainé par la détente du fluide moteur (A) à haute pression, se dirigeant vers le niveau de moyenne pression (C). Le rotor (15), entraîne un rotor (20) sur palliers dans l'axe de la tuyère convergente (19). Le rotor (20), aspire, comprime et trans -fère le fluide basse pression.(3), au niveau de moyenne pression (C). La figure 7 planche 5, représente une variante de trans -formation simple d'énergie de vitesse en énergie électrique. Le fluide moteur (A) haute pression, en se détendant dans la tuyère (I) vers le niveau de moyenne pression (C), entraîne le rotor (I5), solidaire d'un alternateur (D)* L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisations décrits et représentés; de nombreuses variantes sont possibles. Avec une induction et une compression volumétriques, on tend vers l'utilisation de la potentialité énergétique totale: figure 2 planche I; explications ligne 23 page 4 et à suivre. Les principales applications des appareils de la pré -sente invention sont d'une part, le remplacement des éjecteurs de faibles rendements: sur condenseurs, évapora -teurs, puisement . . . etc. D'autre part et surtout, en optimisant la potentialité énergétique du jet moteur de ces appareils, ceux-ci dans de nombreux cas remplacent avanta- -geusement: pompes, moto-compresseurs . . . etc. Ils sont performants dans le transfert de chaleur pour utilisation frigorifique; et, surtout, pour une nouvelle génération de pompes b chaleur: par transformation directe de faibles quantités de chaleur motrice de haute qualité, pour le transfert et concentration d'importantes quantités de cha -leur, à un niveau de qualité moyenne. Les dispositifs qui utilisent ces éjecteurs, ont obli -gatoirement un rendement thermodynamique supérieur, à celui des pompes à chaleur qui utilisent des moto-compresseurs électriques. Et, avec un matériel plus simple. Les résultats sont d'autant spectaculaires, que l'éjec -teur est immédiatement suivi du dispositif de refroidis -sement, qui permet de maintenir temporairement la vitesse en sortie d'éjecteur. Ce dispositif abaisse temporairement la contre pression, facilitant un transfert maximum. Le dispositif en refroidissant le mélange, en réduit le volume, en augmente la densité énergétique; ce qui permet un éventuel retour directement à la pression de la source motrice, après passage par une tuyère secondaire, où, l'essentiel de l'éner -gie de vitesse restante, se transforme en énergie de pres -sion. REVENDICATIONS I) Ejecteur d'induction et compression volumétriques, par un jet à une ou plusieurs hélices, ou demi-hélices; avec ou sans noyau central; de pas, sections, conicités, et volu -mes engendrés variables. Pour le transfert de quantités optimales d'un fluide basse pression, à un niveau de moyen -ne pression; par un fluide moteur, dont la haute pression se transforme en énergie de vitesse, dans un jet en hélices homogènes; pour entraîner, véhiculer, et compresser le mélange. Cet injecteur, (figures 3, 4, 5), est caractérisé par la matrice de sa tuyère (I), obtenue par son usinage, ou celui de son noyau (II), ou moulage. Pour générer un jet moteur (5), dont les hélices ou pales d'hélices, conservent l'es- -sentiel de leur densité énergétique, et engendre entre elles des volumes (7), pour induction et compression volu -métriques, de quantités optimales de fluide basse pression (B), en fonction de potentialités énergétiques disponibles. Les hélices du jet moteur (5), ont une triple déformation dans le diffuseur (3), sous l'effet de la contre pression, et du c5ne d'entrée de diffuseur (3): resserrement radial par le cane, tendance à 11 empilement et resserrement axial sous l'effet de la contre-pression (C). Par retransformation optimale, d'énergie de vitesse en énergie de pression. 2) Ejecteur d'induction et compression volumétriques, selon la revendication I, caractérisé par la possibilité de remplacement du jet moteur en hélices, par un rotor à hélices mécaniques (I5), dans la sortie divergente de tuyère (I) (figure 6), qui prend une grande vitesse par la détente du fluide moteur (A). Ce rotor (I5), peut entrainer un second rotor (20), dans la tuyère convergente (I9), pour aspirer et comprimer de. façon volumétrique, le fluide (B), au niveau de la contre-pression (C). 3) Ejecteur d'induction et compression volumétriques, selon les revendications I et 2, caractérisé par la possibilité d'entrainement d'un alternateur (D), (figure 7), en bout de rotor (I5); pc ir transformations simples d'énergie de vitesse en énergie électrique.