FR2561759A1

FR2561759A1 - Dual Rankine cycle heat pump with free floating pistons

Info

Publication number: FR2561759A1
Application number: FR8404472A
Authority: FR
Inventors: Robert Croo; Henri Diaz
Original assignee: BP PLC
Current assignee: BP PLC
Priority date: 1984-03-22
Filing date: 1984-03-22
Publication date: 1985-09-27
Also published as: FR2561759B1

Abstract

The dual Rankine cycle heat pump has a single fluid and a single circuit. It consists of a boiler 3, together with an evaporator 1 and a condenser 3 common to both cycles. It combines a single dual action free-piston unit 9 having two chambers 10, 12 with an ordinary supply pump 8. The ratio between the working cross-section of the motor stage 12, 13 and the working cross-section of the compressor stage 10, 11 is so chosen that it is always less than the ratio between the rise in pressure P2-P1 from the evaporator to the condenser and the fall in pressure P3-P2 between the boiler and the condenser. The steam distribution is provided by a differential pressure detector 22 sensitive to the head loss in the inlet manifold to the engine cylinder 12.

Description

Pompe à chaleur à double cycle de Rankine à pistons libres.Rankine double cycle free piston heat pump.

L'invention concerne les pompes à chaleur à double cycle de Rankine, parfois dénommées simplement pompes à chaleur Rankine, et dans lesquelles on utilise une chaudière à combustible approprié travaillant à une température superieure à la température d'utilisation, un condenseur fournissant des calories à la température d'utilisation, et un évaporateur absorbant des calories fournies par une source extérieure à une température inférieure à la température d'utilisation, l'ensemble étant équivalent à une machine à vapeur travaillant entre la chaudière et le condenseur et fournissant l'énergie mécanique à une pompe à chaleur travaillant entre l'évaporateur et le condenseur, lequel peut etre séparé ou être le même que le condenseur de la chaudière lorsqu'on utilise un fluide unique.L'installation comprend en outre une pompe élevant la pression du liquide sortant du condenseur jusqu'à celle de la chaudière pour refermer le cycle. The invention relates to Rankine double cycle heat pumps, sometimes simply referred to as Rankine heat pumps, and in which a suitable fuel boiler is used working at a temperature above the operating temperature, a condenser supplying calories to the operating temperature, and an evaporator absorbing calories supplied by an external source at a temperature below the operating temperature, the assembly being equivalent to a steam engine working between the boiler and the condenser and supplying the energy mechanical to a heat pump working between the evaporator and the condenser, which can be separated or be the same as the condenser of the boiler when using a single fluid. The installation also includes a pump raising the pressure of the liquid leaving the condenser to that of the boiler to close the cycle.

Il est connu en particulier par de nombreuses études et publications que de telles pompes à chaleur à double cycle de Rankine peuvent fonctionner avec des pistons libres pour transformer directement l'énergie fournie par le cycle de machine à vapeur en energie de compression du cycle de pompe à chaleur proprement dit, ou en énergie de pompage du liquide vers la chau dière. Ces réalisations necessitent en général plusieurs pistons libres associés, ou encore dans certains cas un seul piston libre dont chaque partie symétrique comporte trois chambres séparées pour les trois fonctions. It is known in particular from numerous studies and publications that such Rankine double cycle heat pumps can operate with free pistons to directly transform the energy supplied by the steam engine cycle into compression energy of the pump cycle. heat proper, or energy pumping the liquid to the boiler. These embodiments generally require several associated free pistons, or in some cases a single free piston, each symmetrical part of which has three separate chambers for the three functions.

Dans tous les cas d'utilisation de tels circuits de pompes à chaleur, l'emploi d'un ou de pistons libres permet une grande simplification mécanique et une excellente étanchéité, mais avec en contre partie un problème délicat à résoudre qui est celui de la distribution synchrone alternative des gaz à haute pression dans la partie moteur, en l'absence de toute liaison mécanique extérieure. In all the cases of use of such heat pump circuits, the use of one or more free pistons allows a great mechanical simplification and an excellent sealing, but with against a delicate problem to be solved which is that of the alternative synchronous distribution of high pressure gases in the engine part, in the absence of any external mechanical connection.

Habituellement ce problème de distribution est résolu à l'aide d'un distributeur à double effet piloté à l'aide de pressions qui sont prélevées grâce à des lumières pratiquées dans le cylindre compresseur ou dans le cylindre moteur. Usually this problem of distribution is solved using a double-acting distributor controlled by means of pressures which are sampled by means of lights made in the compressor cylinder or in the engine cylinder.

L'inconvénient d'un tel mode de distribution est qu'il implique que l'admission de gaz dans le cylindre moteur n'ait lieu que pendant une partie, et même souvent une faible partie de la course, cette admission étant suivie par une détente jusqu la fin de la course, ce qui conduit à un gros encom- brement pour une relativement faible puissance. Surtout les lumières étant en position fixe dans le cylindre conduisent à un manque complet de souplesse par la quasi impossibilité de modifier la course ou la fréquence de fonctionnement. Pour cette raison les dispositifs connus fonctionnent par tout ou rien, ce qui peut à la rigueur convenir pour des utilisations industrielles à débit calorifique sensiblement constant, mais ne conviennent absolument pas pour les applications à besoins calorifiques très variables, en particulier pour le chauffage domestique. The drawback of such a mode of distribution is that it implies that the admission of gas into the engine cylinder takes place only during a part, and even often a small part of the stroke, this admission being followed by a relaxation until the end of the stroke, which leads to a large amount of space for relatively low power. Especially the lights being in a fixed position in the cylinder lead to a complete lack of flexibility by the near impossibility of modifying the stroke or the operating frequency. For this reason, the known devices operate on an all or nothing basis, which may, if necessary, be suitable for industrial uses with a substantially constant calorific flow rate, but are absolutely not suitable for applications with very variable calorific requirements, in particular for domestic heating.

Dans ce cas particulier du chauffage domestique, ou dans tous les cas similaires où les besoins calorifiques sont extrêmement variables selon la température extérieure, et hormis les cas rares où la source de chaleur extérieure est à température constante (nappe phréatique ou source thermale naturelle) le coefficient de performance, lorsque l'on ne dispose que d'une source de chaleur extérieure variable (air ambiant), varie lui-même d'une manière importante et de façon inverse à celle des besoins en chauffage, en étant particulièrement faible ou même nul pendant les périodes les plus froides. Cela conduit à la nécessité d'un chauffage d'appoint qui fonctionne avec la pompe à chaleur pour les températures extérieures basses, ou seul pour les températures trop basses pour que la pompe à chaleur puisse fonctionner correctement. In this particular case of domestic heating, or in all similar cases where the calorific requirements are extremely variable according to the outside temperature, and except the rare cases where the outside heat source is at constant temperature (water table or natural thermal source) the coefficient of performance, when only a variable external heat source (ambient air) is available, itself varies significantly and inversely to that of heating needs, being particularly low or even zero during the coldest periods. This leads to the need for a backup heater which works with the heat pump for low outside temperatures, or only for temperatures too low for the heat pump to function properly.

Par ailleurs il est nécessaire de prévoir une régulation pour adapter le chauffage aux beoins très variables par arrêts et remises en service périodiques, ce qui implique impérativement une disponibilité constante de la chaudière. Ceci nécessite par conséquent le maintien de celle-ci en permanence à la température maximale qui correspond à la pression de fonctionnement de la pompe à chaleur, avec par conséquent des pertes calorifiques relativement très importantes pour les faibles coefficients d'utilisation. In addition, it is necessary to provide a regulation to adapt the heating to the very variable needs by periodic stops and restarting, which imperatively implies a constant availability of the boiler. This therefore necessitates maintaining the latter permanently at the maximum temperature which corresponds to the operating pressure of the heat pump, with consequently relatively very high calorific losses for the low coefficients of use.

Le but de l'invention est d'éliminer les inconvénients précédents en réalisant une pompe à chaleur à double cycle de Rankine de puissance spécifique améliorée et qui comporte une grande souplesse de fonctionnement, avec en particulier la propriété de moduler la puissance pour une marche en continu à puissance variable.Pour cela, l'invention utilise un fluide de travail unique et un circuit unique avec chaudière, évaporateur et condenseur commun, d'une manière connue, et elle se distingue par les trois points suivants
1") elle combine un seul groupe à piston libre à deux chambres, associant le moteur (chaudière, condenseur) et le compresseur (évaporateurcondenseur), avec une pompe alimentaire ordinaire, par exemple électrique, pour recycler le liquide (condenseur-chaudière);;
20) le rapport entre la section utile de l'étage moteur et la section utile de l1étage compresseur est choisi de manière à être dans tous les cas de fonctionnement inférieur au rapport entre la remontée de pression de l'évaporateur au condenseur et la chute de pression entre la chaudière et le condenseur, de manière que l'ensemble mobile des deux pistons accouplés du moteur et du compresseur accélère en début de compression, puis subisse un ralentissement naturel en fin de compression par épuisement de l'énergie cinetique accumulée lors de ladite accélération;;
3 ) la distribution entre la chaudière et l'étage moteur est assurée par un détecteur différentiel de pression sensible à la perte de charge dans la tubulure d'admission au cylindre moteur de manière à assurer l'inversion de la distribution chaque fois que la perte de charge du côté correspondant est tombée au-dessous d'un seuil déterminé.The object of the invention is to eliminate the above drawbacks by producing a heat pump with double Rankine cycle of improved specific power and which includes great operating flexibility, with in particular the property of modulating the power for running in For this, the invention uses a single working fluid and a single circuit with boiler, evaporator and common condenser, in a known manner, and it is distinguished by the following three points
1 ") it combines a single free piston group with two chambers, associating the motor (boiler, condenser) and the compressor (evaporator-condenser), with an ordinary food pump, for example electric, to recycle the liquid (condenser-boiler); ;
20) the ratio between the useful section of the engine stage and the useful section of the compressor stage is chosen so as to be in all cases of operation less than the ratio between the rise in pressure from the evaporator to the condenser and the drop in pressure between the boiler and the condenser, so that the mobile assembly of the two coupled pistons of the engine and the compressor accelerates at the start of compression, then undergoes a natural slowdown at the end of compression by exhausting the kinetic energy accumulated during said acceleration;;
3) the distribution between the boiler and the engine stage is ensured by a differential pressure detector sensitive to the pressure drop in the intake manifold to the engine cylinder so as to ensure the reversal of the distribution each time the loss load on the corresponding side has fallen below a certain threshold.

D'autres particularités de l'invention apparaitront dans la description qui va suivre d'un mode de réalisation pris comme exemple et représenté sur le dessin annexé, sur lequel
la figure 1 est le schéma général de l'installation avec coupe partielle du groupe moteur-compresseur;
la figure 2 est une coupe axiale d'un des détecteurs différentiels de perte de charge; et
la figure 3 est une coupe axiale d'un des distributeurs.Other features of the invention will appear in the following description of an embodiment taken as an example and shown in the accompanying drawing, in which
Figure 1 is the general diagram of the installation with partial section of the engine-compressor group;
Figure 2 is an axial section of one of the differential pressure drop detectors; and
Figure 3 is an axial section of one of the distributors.

D'une manière classique, l'invention utilise un même fluide de travail, par exemple du fréon; à la fois pour la partie machine à vapeur transformant une partie de la chaleur de la chaudière en énergie mécanique, et la partie pompe à chaleur proprement dite utilisant cette énergie mécanique pour trans férer des calories de la source extérieure vers l'utilisation. Ceci permet par conséquent d'utiliser un condenseur unique, commun aux deux parties. Conventionally, the invention uses the same working fluid, for example freon; both for the steam engine part transforming part of the heat of the boiler into mechanical energy, and the heat pump part proper using this mechanical energy to transfer calories from the external source to use. This therefore makes it possible to use a single condenser, common to the two parts.

On voit sur la figure 1 l'évaporatèur 1, qui correspond à- la plus basse température, donc à la plus basse pression P1 de ensemble du circuit et qui est en liaison avec la source extérieure dont il extrait les calories, le condenseur commun 2, qui est à une température donc une pression P2 moyenne et qui fournit à l'utilisation toutes les calories disponibles, et enfin la chaudière 3 qui est'à la plus haute température, donc à la plus haute pression P2, et qui est chauffée par un apport de combustible, par exemple un hydrocarbure liquide ou gazeux, ou par tout autre moyen, y compris solaire ou géothermique. We see in Figure 1 the evaporator 1, which corresponds to the lowest temperature, therefore the lowest pressure P1 of the entire circuit and which is in connection with the external source from which it extracts the calories, the common condenser 2 , which is at a temperature therefore an average pressure P2 and which provides the user with all the calories available, and finally the boiler 3 which is at the highest temperature, therefore at the highest pressure P2, and which is heated by a supply of fuel, for example a liquid or gaseous hydrocarbon, or by any other means, including solar or geothermal.

te fluide sortant liquéfié en 4 du condenseur 2 à la pression intermédiaire P2 retourne en partie vers l'évaporateur à la pression P1 par une conduite 5 comprenant un dispositif étrangleur de détente classique 6. the fluid leaving liquefied at 4 from the condenser 2 at the intermediate pressure P2 returns in part to the evaporator at the pressure P1 via a line 5 comprising a conventional expansion restrictor device 6.

L'autre partie de ce fluide retourne à la chaudière à la haute pression P3 par une conduite 7 comprenant une pompe alimentaire 8 qui élève la pression de ce liquide de P2 à P3. Le débit de volume du liquide étant très faible, cette pompe peut avantageusement être une simple pompe électrique.The other part of this fluid returns to the boiler at high pressure P3 via a pipe 7 comprising a food pump 8 which raises the pressure of this liquid from P2 to P3. The volume flow rate of the liquid being very low, this pump can advantageously be a simple electric pump.

Conformément à- l'invention, on a donc un seul groupe 9- qui utilise Iténergie de détente du fluide de P3 à P2 pour la compression de ce même fluide de P1 à P2. Ce groupe 9 est naturellement à double effet et comporte de chaque côté une chambre de compression 10, les deux chambres 10 étant réunies en un cylindre unique dans lequel se déplace un piston libre 11, et une chambre motrice 12, de préférence coaxiale à la chambre 10 correspondante, et dans laquelle se déplace un piston moteur 13, solidaire du piston compresseur 11.En raison de leur faible diamètre, les deux pistons 13 sont de préférence du type plongeur, et l'ensemble mobile du groupe 9 est donc essentiellement constitué par le piston compresseur 11 avec de part et d'autre ses deux tiges-pistons 13, avec naturellement les segments d'étan chéité appropriés, non référencés. In accordance with the invention, there is therefore a single group 9 which uses the energy of expansion of the fluid from P3 to P2 for the compression of this same fluid from P1 to P2. This group 9 is naturally double-acting and comprises on each side a compression chamber 10, the two chambers 10 being joined in a single cylinder in which a free piston 11 moves, and a driving chamber 12, preferably coaxial with the chamber 10 corresponding, and in which moves a driving piston 13, integral with the compressor piston 11. Due to their small diameter, the two pistons 13 are preferably of the plunger type, and the mobile assembly of group 9 is therefore essentially constituted by the compressor piston 11 with on both sides its two piston rods 13, with naturally the appropriate sealing segments, not referenced.

Chaque chambre de compression 10 comporte une soupape d'aspiration, à l'arrivée d'un conduit 15 réuni par 16 à la sortie 17 de l'évaporateur 1, et une soupape de refoulement 18 réunie par un conduit 19 et un conduit 20 à l'entrée 21 du condenseur 2. Un mouvement de va-et-vient du piston 11 assure donc l'aspiration, la recompression, et le refoulement du fluide de la pression P1 à la pression P2. Each compression chamber 10 comprises a suction valve, on the arrival of a pipe 15 joined by 16 to the outlet 17 of the evaporator 1, and a discharge valve 18 joined by a pipe 19 and a pipe 20 to the inlet 21 of the condenser 2. A reciprocating movement of the piston 11 therefore ensures the suction, the recompression, and the discharge of the fluid from the pressure P1 to the pressure P2.

Pour assurer ce mouvement de va-et-vient à partir de la pression P3 fournie par la chaudière, on utilise conformément à l'invention, non pas de simples lumières dans les cylindres démasquées par le mouvement d'un des pistons, mais au contraire un détecteur différentiel de perte de charge 22 susceptible de fournir une pression de pilotage au dispositif de distribution lorsque la perte de charge dans l'ensemble des conduites alimentant la chambre motrice 12 tombe au-dessous d'un certain seuil1 c'est-à-dire lorsque le débit de fluide alimentant cette chambre est sur le point de s'annuler. To ensure this back-and-forth movement from the pressure P3 supplied by the boiler, is used in accordance with the invention, not simple lights in the cylinders unmasked by the movement of one of the pistons, but on the contrary a differential pressure drop detector 22 capable of supplying a pilot pressure to the distribution device when the pressure drop in all of the pipes supplying the motor chamber 12 falls below a certain threshold1, that is to say say when the flow of fluid supplying this chamber is about to cancel.

Pour cela on utilise deux dispositifs 22 identiques, correspondant respectivement aux deux chambres 12, et représentés en détail sur la figure 2. For this, two identical devices 22 are used, corresponding respectively to the two chambers 12, and shown in detail in FIG. 2.

Chacun d'eux comporte un conduit de prélèvement 23,,débouchant dans la chambre 12 correspondante, et un conduit 24 de pression de référence raccordé sur la conduite sous pression 25 connectée par 26 à la chaudière 3. Chacun des détecteurs 22 comporte également une ou deux sorties de pilotage 27 agissant alternativement pour piloter la distribution.Each of them comprises a sampling conduit 23, opening into the corresponding chamber 12, and a reference pressure conduit 24 connected to the pressure conduit 25 connected by 26 to the boiler 3. Each of the detectors 22 also comprises one or more two control outputs 27 acting alternately to control the distribution.

Cette distribution pourrait avoir lieu à l'aide d'un distributeur inverseur à double effet classique, piloté a chaque extrémité par les pressions de pilotage alternatives précédentes, mais il est préférable selon l'invention d'utiliser deux distributeurs inverseurs à simple effet 28, ce qui permet de les placer chacun très près de la chambre 12 correspondante afin de réduire au maximum le volume mort constitué par les conduits de sortie 29 allant du distributeur 28 à la chambre 12 correspondante, ces conduits pouvant avoir une longueur réduite à une très faible valeur.En outre, cette disposition présente l'avantage que chaque distributeur 28 constitue par lui-même et symétriquement la perte de charge d'alimentation nécessaire au fonctionnement du détecteur de perte de charge 22 qui lui est associé. I1 suffit alors, comme représenté sur le schéma de la figure 1, de raccorder les conduits 24 de pression de référence directement sur la conduite 25 en amont du distributeur 28 correspondant. This distribution could take place using a conventional double-acting reversing distributor, piloted at each end by the preceding alternative pilot pressures, but it is preferable according to the invention to use two single-acting reversing distributors 28, which makes it possible to place them each very close to the corresponding chamber 12 in order to minimize the dead volume constituted by the outlet conduits 29 going from the distributor 28 to the corresponding chamber 12, these conduits being able to have a length reduced to a very small one In addition, this arrangement has the advantage that each distributor 28 constitutes by itself and symmetrically the supply pressure drop necessary for the operation of the pressure drop detector 22 which is associated with it. I1 then suffices, as shown in the diagram in FIG. 1, to connect the reference pressure conduits 24 directly to the conduit 25 upstream of the corresponding distributor 28.

La figure 2 montre le détail de réalisation de chacun des détecteurs différentiels de perte de charge 22. La conduite de prélèvement 23 se raccorde sur un embout de prélèvement désigné par cette même référence 23, tandis que la conduite 24 de pression de référence se raccorde sur un autre embout désigné par la même référence 24. On voit de même les deux embouts 27 pour le raccordement des canalisations de pilotage 27. FIG. 2 shows the detailed embodiment of each of the differential pressure drop detectors 22. The sampling line 23 is connected to a sampling nozzle designated by this same reference 23, while the reference pressure line 24 is connected to another end-piece designated by the same reference 24. The two end-pieces 27 are likewise seen for the connection of the pilot lines 27.

Le corps de ce dispositif est en trois parties 30, 31 et 32 enserrantentre elles deux membranes 33 et 34, la première étant soumise sur sa face supérieure à la pression de mesure prélevée dans la chambre motrice 12 et arrivant par 23, et la seconde étant soumise sur sa face inférieure à la pression de référence arrivant par 24. The body of this device is in three parts 30, 31 and 32 enclosing between them two membranes 33 and 34, the first being subjected on its upper face to the measurement pressure taken from the driving chamber 12 and arriving by 23, and the second being subjected on its underside to the reference pressure arriving by 24.

Dans la partie cylindrique prolongeant inférieurement la partie 30 peut coulisser, dans un alésage 35, un clapet 36, de section carrée pour ménager le passage du fluide entre lui et l'alésage 35, et terminé par une garniture d'étanchéité 37, de préférence en polytétrafluoréthylène. L'alésage 35 est refermé à l'extrémité extérieure par un bouchon 38 contenant un ressort 39 qui, par l'intermédiaire d'une pièce de centrage 40, repousse le clapet 35 de telle manière que sa garniture 37 vienne s'appliquer sur un siège plan 41 situé à l'extrémité conique 42 d'une autre pièce 43 vissée intérieurement dans la pièce 30. Le bouchon 38 et la pièce 43 sont munis de joints d'étan chéité non représentés, et des vis également non représentées assemblant entre elles les trois parties 30, 31 et 32 de manière étanche. In the cylindrical part extending below the part 30 can slide, in a bore 35, a valve 36, of square section to provide the passage of the fluid between it and the bore 35, and terminated by a sealing gasket 37, preferably made of polytetrafluoroethylene. The bore 35 is closed at the outer end by a plug 38 containing a spring 39 which, by means of a centering piece 40, pushes the valve 35 so that its lining 37 comes to be applied on a planar seat 41 located at the conical end 42 of another part 43 internally screwed into the part 30. The plug 38 and the part 43 are provided with gaskets not shown, and screws also not shown assembling together the three parts 30, 31 and 32 in a sealed manner.

Les deux membranes 33 et 34 s'appuient mutuellement l'une sur l'autre par l'intermédiaire d'un disque de caoutchouc 44, et l'ensemble des deux membranes ainsi reliées s'applique sur une pièce d'appui 45 susceptible de transmettre la poussée résultante des deux membranes au clapet 36 par l'intermédiaire d'un poussoir 46 traversant la pièce 43 à travers l'orifice du siège 41. The two membranes 33 and 34 bear one another on the other by means of a rubber disc 44, and the assembly of the two membranes thus connected is applied to a support piece 45 capable of transmitting the resulting thrust from the two membranes to the valve 36 by means of a pusher 46 passing through the part 43 through the orifice of the seat 41.

La surface utile de la membrane 33, définie par le diamètre de l'alésage 47 de la pièce 31, est très légèrement supérieur à la surface utile de la membrane 34, définie par le diamètre de l'alésage 48 de la pièce 31. Le rapport des deux surfaces ainsi définies est choisi de telle manière que, lorsque la pression de référence s'applique en 23 comme en 24, l'ensemble transmet par le poussoir 46 un effort supérieur à l'effort antagoniste du ressort 39, afin d'ouvrir le clapet 36 et permettre à la vapeur à la pression
P3 de la chaudière et arrivant par 24 de parvenir dans les orifices de pilotage 27 qui débouchent dans l'alésage 35. Inversement il existe une valeur limite de la pression en 23 qui équilibre juste la tension de ressort 39 et pour laquelle le clapet 36 est juste sur le point de s'ouvrir ou de se fermer, cette pression étant légèrement inférieure à la pression P3 d'une faible valeur de seuil déterminée par les dimensions et réglable par la tension du ressort 39.The useful surface of the membrane 33, defined by the diameter of the bore 47 of the part 31, is very slightly greater than the useful surface of the membrane 34, defined by the diameter of the bore 48 of the part 31. ratio of the two surfaces thus defined is chosen in such a way that, when the reference pressure applies at 23 as at 24, the assembly transmits by the pusher 46 a force greater than the opposing force of the spring 39, in order to open valve 36 and allow steam to pressure
P3 of the boiler and arriving by 24 to reach the pilot orifices 27 which open into the bore 35. Conversely there is a limit value of the pressure at 23 which just balances the spring tension 39 and for which the valve 36 is just about to open or close, this pressure being slightly lower than the pressure P3 with a low threshold value determined by the dimensions and adjustable by the tension of the spring 39.

I1 faut remarquer que, si la valeur de ce seuil est définie par les différences des diamètres 47 et 48 et par la tension du ressort 39, la sensi bilité du dispositif au contraire dépend de la valeur des diamètres 47 et 48 qui peut être choisie relativement grande. It should be noted that, if the value of this threshold is defined by the differences in diameters 47 and 48 and by the tension of the spring 39, the sensitivity of the device on the contrary depends on the value of diameters 47 and 48 which can be chosen relatively big.

En résumé lorsque la pression en 23 est supérieure à P3 diminuée de la valeur de seuil, c'est-à-dire lorsque la perte de charge au travers du distributeur 28 correspondant est inférieure à ce seuil, la pression P3 est transmise intégralement aux conduites de pilotage 27 correspondantes, alors qu'au contraire elle n'est pas transmise dans les autres cas, c'est-à-dire soit lorsque cette perte de charge dépasse le seuil, soit à plus forte raison lorsque la pression en 23 est tombée à P2. In summary when the pressure at 23 is greater than P3 minus the threshold value, that is to say when the pressure drop across the corresponding distributor 28 is less than this threshold, the pressure P3 is transmitted entirely to the pipes control 27 corresponding, whereas on the contrary it is not transmitted in the other cases, that is to say either when this pressure drop exceeds the threshold, or even more so when the pressure at 23 has fallen to P2.

Chacun des distributeurs 28, dont un est représenté sur la figure 3, comporte un cylindre 49 dans lequel se déplace de manière étanche un tiroir distributeur 50, les deux pressions de pilotage 27, qui correspondent respectivement aux deux dispositifs détecteurs 22, débouchant aux deux extrémités du cylindre 49 par des orifices 27. Each of the distributors 28, one of which is shown in FIG. 3, comprises a cylinder 49 in which a distributor 50 moves in leaktight manner, the two pilot pressures 27, which correspond respectively to the two detector devices 22, opening at the two ends cylinder 49 through holes 27.

Dans l'impossibilité où l'on se trouve pratiquement d'assurer une lubrification correcte au coulissement du tiroir 50 dans l'alésage 49 en présence de vapeur de fréon à haute pression et à haute température, il est préconisé selon l'invention de réaliser le tiroir 50 en polytétrafluoréthylène, et de réaliser également l'alésage 49 à l'intérieur d'un chemisage 51 placé dans le corps métallique 52, par exemple en laiton, du distributeur 28, refermé par deux bouchons d'extrémité 53. Since it is practically impossible to ensure correct lubrication when the slide 50 slides in the bore 49 in the presence of freon vapor at high pressure and at high temperature, it is recommended according to the invention to produce the drawer 50 of polytetrafluoroethylene, and also of making the bore 49 inside a liner 51 placed in the metal body 52, for example made of brass, of the distributor 28, closed by two end plugs 53.

On retrouve en 29 la canalisation de jonction vers la chambre motrice 12, et de l'autre côté l'arrivée de pression 25 provenant de la chaudière et le retour 20 au condenseur. Pour chacune des canalisations 25, 29 et 20cela communication vers l'intérieur de l'alésage 49 se fait à l'aide de plusieurs orifices 54, de préférence au nombre de quatre, régulièrement répartis sur la circonférence et débouchant dans des gorges annulaires 55 usinées sur 1 1exté- rieur du corps 52 pour assurer la distribution aux divers orifices 54 correspondants. Un manchon extérieur 56 vient s'ajuster sur le diamètre extérieur du corps cylindrique 52, sur lequel il se raccorde de manière étanche par brasure ou soudure capillaire, et les embouts des diverses conduites 25, 29 et 20 se soudent sur ce manchon. At 29 there is the junction pipe to the motor chamber 12, and on the other side the pressure inlet 25 coming from the boiler and the return 20 to the condenser. For each of the pipes 25, 29 and 20, this communication towards the interior of the bore 49 takes place using several orifices 54, preferably four in number, regularly distributed over the circumference and opening out into machined annular grooves 55 on 1 1exterior of the body 52 to ensure distribution to the various corresponding orifices 54. An outer sleeve 56 adjusts to the outer diameter of the cylindrical body 52, to which it is tightly connected by brazing or capillary welding, and the ends of the various conduits 25, 29 and 20 are welded to this sleeve.

I1 est important de remarquer que lorsqu'un détecteur 22 devient actif par ouverture de son clapet 36, l'autre détecteur 22 est en position inactive c'est-à-dire fermé. En conséquence la vapeur contenue dans la canalisation 27, entre le détecteur 22 inactif et la cavité de pilotage correspondante du distributeur 28, nta pas d'issue pour s'échapper dans la-mesure où le clapet 36 n'est pas du type inverseur. On y remédie facilement au niveau du distributeur 28 en prévoyant au voisinage de chaque extrémité de l'alésage 49 des orifices 20a qui sont réunis par des canalisation de même référence à l'échap- pement 20, mais seulement au voisinage de la fin de course correspondante du tiroir 50. De cette manière la haute pression de pilotage se trouve chaque fois déchargée après avoir agi.En conséquence le tiroir distributeur 50 comporte six parties saillantes ou paires de lèvres d'étanchéité 57 séparées par des parties cylindriques d'un diamètre à peine inférieur, excepte dans la partie centrale 58 qui assure la distribution d'une manière classique et qui est d'un diamètre plus réduit pour assurer une section suffisante au passage de la vapeur. It is important to note that when a detector 22 becomes active by opening its valve 36, the other detector 22 is in the inactive position, that is to say closed. Consequently, the vapor contained in the pipe 27, between the inactive detector 22 and the corresponding piloting cavity of the distributor 28, has no outlet for escaping insofar as the valve 36 is not of the reversing type. This is easily remedied at the distributor 28 by providing, in the vicinity of each end of the bore 49, orifices 20a which are joined by pipes of the same reference to the exhaust 20, but only in the vicinity of the end of travel. corresponding to the drawer 50. In this way the high pilot pressure is each time discharged after having acted. Consequently the distributor drawer 50 has six projecting parts or pairs of sealing lips 57 separated by cylindrical parts with a diameter of barely lower, except in the central part 58 which distributes in a conventional manner and which is of a smaller diameter to ensure a sufficient section for the passage of steam.

I1 est important de remarquer que les deux distributeurs 28 ne comportent aucun ressort de rappel et que l'ajustement nécessaire entre le tiroir 50 et l'alésage 49 pour assurer l'étanchéité à la vapeur de fréon à haute pression suffit à maintenir toujours le tiroir correspondant freiné en fin de course après la décharge de la pression de pilotage aux deux extrémités. Par ailleurs si on se reporte à la figure 1, il est clair que les deux tiroirs 50 seront toujours tous les deux en position inférieure ou en position supérieure puisque pilotés en même temps par la même pression arrivant du même côté, étant entendu qu-e les raccordements d'admission et d'échappement sont inversés d'un distributeur 28 par rapport à l'autre, l'admission de vapeur sous pression 25 se faisant toujours du côté où se trouve le détecteur 22 correspondant. It is important to note that the two distributors 28 do not have any return spring and that the necessary adjustment between the drawer 50 and the bore 49 to ensure the tightness of the freon vapor at high pressure is sufficient to always maintain the drawer correspondent braked at the end of the stroke after the pilot pressure has been discharged at both ends. Furthermore if we refer to Figure 1, it is clear that the two drawers 50 will always be both in the lower position or in the upper position since driven at the same time by the same pressure arriving from the same side, it being understood that the intake and exhaust connections are reversed from one distributor 28 relative to the other, the admission of pressurized steam 25 always being on the side where the corresponding detector 22 is located.

Si on suppose par exemple que les deux tiroirs distributeurs 50 sont en position supérieure sur la figure 1, à la mise en route de la chaudière la pression va nécessairement être admise dans la chambre 12 du côté gauche de la figure 1, et non dans celle du côté droit. On aurait naturellement le résultat inverse si les tiroirs étaient arrêtés en position inférieure. On a donc un démarrage automatique du dispositif sans nécessiter de dispositif auxiliaire de démarrage comme c'est souvent le cas avec les pistons libres habituels. If it is assumed, for example, that the two distributor drawers 50 are in the upper position in FIG. 1, when the boiler is started up, the pressure will necessarily be admitted into the chamber 12 on the left side of FIG. 1, and not in that on the right side. We would naturally have the opposite result if the drawers were stopped in the lower position. There is therefore an automatic starting of the device without requiring an auxiliary starting device as is often the case with the usual free pistons.

La vapeur étant admise dans la chambre 12 du côté gauche, comme on l'a supposé, l'ensemble mobile 11-13 subit une accélération vers la droite du fait que la pression dans la chambre 10 de droite se trouve au départ très faible et qu'elle n'augmente que progressivement au fur et à mesure de la compression. Etant donné que, par hypothèse, le rapport des sections des pistons 13 et Il est inférieur au rapport de la pression finale de refoulement P2 à la pression motrice P3, il arrive un moment où la pression dans la chambre 10 de compression équilibre, puis dépasse la pression motrice 12. The vapor being admitted into the chamber 12 on the left side, as it was supposed, the mobile assembly 11-13 undergoes an acceleration to the right because the pressure in the chamber 10 on the right is initially very low and that it increases only gradually as the compression progresses. Since, by hypothesis, the ratio of the sections of the pistons 13 and II is less than the ratio of the final discharge pressure P2 to the driving pressure P3, there comes a point when the pressure in the compression chamber 10 equilibrates, then exceeds driving pressure 12.

L'ensemble mobile continue néanmoins son mouvement vers la droite par suite de son inertie et de l'énergie cinétique accumulée précédemment, mais il ralentit progressivement d'une manière naturelle et le débit de vapeur, qui continue à être admise en 12 à travers le distributeur 28 de gauche dans des conditions proches de la réversibilité, diminue lui-même progressivement, ainsi par conséquent que la perte de charge détectée par 22.Lorsque ce débit est devenu suffisamment faible pour que la perte de charge tombe au-dessous du seuil, qui est naturellement régle très bas comme on l'a vu, le détecteur 22 situé sur la gauche de la figure 1 envoie la pression de pilotage dans la canalisation 27 supérieure et déplace par conséquent les deux tiroirs 50 vers le bas, ce qui en fin de course provoque la décharge de cette pression de pilotage comme on l'a vu, mais en même temps raccorde la chambre motrice 12 située à gauche à l'échappement (P2) ce qui provoque donc aussitôt la fermeture du clapet 36 du détecteur 22 correspondant et empêche I'echappement de vapeur par l'orifice 20a de se poursuivre.En même temps le distributeur de droite venu en position inférieure produit -l'admission de vapeur dans la chambre 12 de droite, et le même processus se produit dans l'autre sens, et ainsi de suite.The mobile assembly nevertheless continues its movement to the right due to its inertia and the kinetic energy previously accumulated, but it gradually slows down in a natural way and the flow of vapor, which continues to be admitted at 12 through the distributor 28 on the left under conditions close to reversibility, itself gradually decreases, as well as the pressure drop detected by 22. When this flow rate has become low enough for the pressure drop to fall below the threshold, which is naturally set very low as we have seen, the detector 22 located on the left of Figure 1 sends the pilot pressure in the upper pipe 27 and therefore moves the two drawers 50 down, which in the end stroke causes the discharge of this piloting pressure as we have seen, but at the same time connects the driving chamber 12 located on the left to the exhaust (P2) which therefore immediately causes the valve to close 36 of the corresponding detector 22 and prevents the escape of steam through the orifice 20a to continue. At the same time the distributor on the right came in the lower position produces -the admission of steam into the chamber 12 on the right, and the same process happens the other way around, and so on.

On voit ainsi que le fonctionnement de la distribution n'est pas fonction d'une position ni d'lme course déterminées de L'ensemble mobile, mais au contraire de sa vitesse de déplacement, la fin de course dans chaque sens étant automatiquement adaptée à la fin de course naturelle, qui s'adapte elle-même en fonction des diverses conditions de pression et de température, respectivement de l'évaporateur 1, du condenseur 2 et de la chaudière 3. It can thus be seen that the operation of the distribution is not a function of a determined position or stroke of the movable assembly, but on the contrary of its speed of movement, the end of travel in each direction being automatically adapted to the natural limit switch, which adapts itself according to the various pressure and temperature conditions, respectively of the evaporator 1, the condenser 2 and the boiler 3.

Grâce à cette adaptation automatique, le dispositif selon l'invention présente une extrêmement grande souplesse, et peut en particulier fonctionner en marche continue en modulant la puissance directement par réglage de la chaudière en fonction du besoin calorifique et en tenant compte des conditions réelles présentes de température et de pression à l'évaporateur et au condenseur. Thanks to this automatic adaptation, the device according to the invention has extremely great flexibility, and can in particular operate in continuous operation by modulating the power directly by adjusting the boiler according to the calorific requirement and taking into account the actual present conditions of temperature and pressure at the evaporator and condenser.

En particulier pour des conditions déterminées et imposées de l'évapora- teur, fonction de la température de la source extérieure disponible, et du condenseur, fonction de la demande de chauffage, on peut moduler la puissance de l'installation, par exemple la réduire en partant d'une valeur maximale, en modifiant la température, donc la-pression de la chaudière, ce qui a comme effet de réduire la pression motrice en 12 donc l'-accélération, et par suite la fréquence de fonctionnement, et également de réduire la course naturelle de cet ensemble mobile par suite de la réduction de l'énergie cinetique accumulée pendant la phase d'accélération. Le dispositif n'est donc pas obligé de fonctionner par tout ou rien comme les dispositifs habituels, avec les inconvénients examinés plus haut, mais au contraire peut fonctionner à toutes les allures de chauffage, étant entendu que dans ce cas le coefficient de performance peut se trouver réduit pour les puissances faibles, mais demeure fort pour les puissances élevées, ce qui est particulièrement favorable. De plus l'adaptation du piston libre à chaque condition de marche est absolument automatique, comme on vient de le avoir, et elle ne nécessite aucun dispositif accessoire ni aucun réglage. In particular for determined and imposed conditions of the evaporator, depending on the temperature of the available external source, and of the condenser, depending on the heating demand, the power of the installation can be modulated, for example reducing it. starting from a maximum value, by modifying the temperature, therefore the pressure of the boiler, which has the effect of reducing the driving pressure by 12 therefore the acceleration, and consequently the operating frequency, and also of reduce the natural stroke of this mobile assembly as a result of the reduction in kinetic energy accumulated during the acceleration phase. The device is therefore not obliged to operate by all or nothing like the usual devices, with the drawbacks examined above, but on the contrary can operate at all heating stages, it being understood that in this case the coefficient of performance can be find reduced for low powers, but remains strong for high powers, which is particularly favorable. In addition, the adaptation of the free piston to each operating condition is absolutely automatic, as we have just seen, and it does not require any accessory device or any adjustment.

Claims

1. Double-rank heat pump with single fluid and single circuit, comprising a boiler (3), an evaporator (1) and a condenser (2) common to the two cycles,

characterized by the fact

a) that it combines a single group (9) with double action free piston with two chambers (10, 12), associating the motor (12, 13) working between the boiler (3) and the condenser (2) and the compressor (10, 11) working between the evaporator (1) and the condenser (2), with an ordinary food pump (8) recycling the liquid from the condenser (2) to the boiler (3);

b) that the ratio between the useful section of the engine stage (12, 13) and the useful section of the compressor stage (10, 11) is chosen so as to be in all cases of operation less than the ratio between the pressure rise (P2-P1) from the evaporator to the condenser and the pressure drop (P3-P2) between the boiler and the condenser, so that the movable assembly of the two pistons (11, 13) coupled to the engine and the compressor accelerates at the start of compression, then undergoes a natural slowdown at the end of compression by exhausting the kinetic energy accumulated during said acceleration; and

c) that the distribution of steam between the boiler (3) and the engine stage (12, 13) as well as between this engine stage and the condenser (2) is ensured by means of a differential pressure detector (22) sensitive to the pressure drop in the intake manifold to the engine cylinder (12) and controlling the reversal of the distribution each time the pressure drop on the side corresponding to the current intake has fallen below of a determined threshold.

2. Heat pump according to claim 1, characterized in that the distribution of steam to the double-acting cylinder (12) is ensured by two single-acting reversing distributors (28) arranged symmetrically and each connected as close as possible to the cylinder -motor (12) corresponding, each of these distributors comprising two pilot inlets (17) connected respectively to the pilot outputs (27) of the two pressure drop detectors (22).

3. Heat pump according to claim 2, characterized in that each of the pressure drop detectors (22) comprises two membranes (33, 34) of relatively large useful surfaces but whose difference in surfaces is relatively small, the most large (33) of these membranes being subjected in the direction of the other to the vapor pressure (23) taken from the corresponding driving chamber (12) and the smallest (34) of these membranes being subjected in the other direction to the pressure (P3) of the boiler taken upstream of the corresponding distributor (28), these membranes being coupled by a spacer (44) to act in common, by means of a support piece (45) and a pusher (46) and against a counter spring (39), on a valve (36) transmitting the steam from the boiler (24) to the pilot outputs (27) joined to the pilot inputs of one of the two distributors (28).

4. Heat pump according to one of the preceding claims, characterized in that each pressure drop detector (22) comprises a valve (36) with single effect, and that the decompression of the line (27) connecting the pilot outputs one of the detectors at the pilot inputs of the two distributors is provided at each distributor (28) by a decompression orifice (20a) placed at a suitable distance from the corresponding pilot orifice (27).

5. Heat pump according to one of claims 2 to 4, characterized in that each distributor (28) comprises a drawer (50) and a jacket (51) both made of polytetrafluoroethylene, and that the main conduits (20, 29, 25) ensuring the admission and exhaust of steam to the driving chamber 12 open into the bore (49) of the liner (51) by multiple orifices (54) distributed along the circumference, the drawer (50) comprising lips or pairs of lips (57) which, at each stroke, pass from one side to the other of said corresponding multiple orifices (54), the unit operating without lubrication.