WO2014154869A1 - Cryogenic heat engine - Google Patents

Cryogenic heat engine Download PDF

Info

Publication number
WO2014154869A1
WO2014154869A1 PCT/EP2014/056293 EP2014056293W WO2014154869A1 WO 2014154869 A1 WO2014154869 A1 WO 2014154869A1 EP 2014056293 W EP2014056293 W EP 2014056293W WO 2014154869 A1 WO2014154869 A1 WO 2014154869A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
cryogenic
pressure chamber
heat pump
refrigerant
high pressure
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/056293
Other languages
French (fr)
Inventor
Jean THIESSARD
Original Assignee
Thiessard Jean
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thiessard Jean filed Critical Thiessard Jean
Publication of WO2014154869A1 publication Critical patent/WO2014154869A1/en

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K9/00Plants characterised by condensers arranged or modified to co-operate with the engines
    • F01K9/003Plants characterised by condensers arranged or modified to co-operate with the engines condenser cooling circuits
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F01K25/103Carbon dioxide

Definitions

  • the present invention relates to a cryogenic thermal machine which comprises a heat pump and a cryogenic fluid steam machine connected through a countercurrent heat exchanger.
  • Rankine cycle steam engines are Carnot machines for which a fluid passes alternately from the liquid phase to the vapor phase and thus comprises isobaric heating and cooling.
  • Hirn showed a noticeable improvement in yield.
  • the yield limit values of Carnot machines, which include Rankine cycle machines, are expressed as the ratio of absolute temperatures of cold and hot sources.
  • engine manufacturers prefer to use the compression ratio, it is a tautology because the pressure of a gas is directly related to its temperature.
  • Guy Nègre filed patent applications for a cryogenic engine with ambient thermal energy and constant pressure and its thermodynamic cycles these patent applications being published under the numbers FR2904054A1 and WO2008009681 A1. This invention replaces the cold source of the thermal machines with a low pressure chamber self regenerated by a heat pump.
  • the amount of mechanical energy to be subtracted from the Rankine machine to introduce the fluid into the very high pressure chamber will be smaller in the form of liquid than in the form of compressed gas. But this is paid energetically by a very large amount of heat, because it is necessary to heat and especially to vaporize the liquid after introducing it into the very high pressure chamber. Actually, it is possible to reduce the energy consumed by the pump.
  • An invention dating back more than 140 years, the injector Giffard (May 8, 1858) has the advantage of using no mechanical part. In the past it was the most economical way to reinject the condensate into the high pressure chamber of a steam engine. Today a hydropneumatic system could possibly compete with it.
  • Yo Shiotani in EP2224093A1 decreases the external energy to be supplied to a compressor by mechanically coupling it with a screw expander.
  • EP0004609A2 which relates to a cooling device compressor / pressure regulator screw. It is possible to operate a screwless expansion valve, for example in order to liquefy a gas such as nitrogen as described for example in EP0566126. Gas leaks do not prevent a fraction of the gas from liquefying. But this loss reduces the efficiency of a Rankine cycle machine. Because a gas that relaxes without providing work, if only against the atmospheric pressure, sees its temperature increase. This was revealed by the experience of the Modane wind tunnel, air at atmospheric pressure at 300 K is introduced into an empty gas tank. The temperature measured after stopping the turbulence is 500 K.
  • EER energy efficiency ratio
  • the rotary piston blowers are industrialized since 1868 (Aerzen) they are able to brew very large quantities of air or gas without lubricant with a positive pressure of the order of 1000 millibars, or to cause a depression of the order 500 millibars.
  • the volumes of gas transferred per kW supplied are in the range of 480 liters to 768 liters per minute.
  • the fluid outlet temperatures are near and intermediate between the fluid inlet temperatures. At best 50% of the heat can be transferred. With countercurrent heat exchangers the exchange rate is lower for the same area, but the amount of exchangeable heat is much higher.
  • the outlet temperature of the initially "hot” fluid is close to and slightly greater than the inlet temperature of the "cold” fluid, and the outlet temperature of the fluid initially “cold” is near and slightly lower than the inlet temperature of the fluid "hot”.
  • plate heat exchangers are more compact and cheaper than other types of countercurrent heat exchangers. Typically with a plate exchanger, it is possible to obtain deviations of the order of 3 ° C. on each of the input / output pairs.
  • cryogenic engines are subject to the second principle of thermodynamics. Solutions envisaged in conventional thermal machines for reducing energy losses can be applied to cryogenic machines.
  • the present invention proposes a cryogenic thermal machine comprising a heat pump and a cryogenic fluid steam machine connected through a first heat exchanger connected to a very high pressure chamber of the steam engine. an outlet, said first exchanger enclosing a high pressure chamber element of the heat pump, for which the heat pump comprises an evaporator constituting a very low pressure chamber, a condenser constituting said high pressure chamber, an insulated gas booster and a pressure regulating device, the steam engine comprising an insulated condenser constituting a low pressure chamber of the steam engine.
  • the first heat exchanger consists of a heat-insulated evaporator.
  • the very high pressure chamber preferably comprises a radiator superheater cryogenic fluid.
  • the machine advantageously comprises an adjustable pressure regulator, a pressure regulator or several screw regulators connected in series and an injector of liquid cryogenic fluid between the low pressure chamber and the very high pressure chamber.
  • the machine comprises several screw expander and a mechanical connection between at least one of the screws of each screw expander and a mechanical transmission shaft.
  • the evaporator of the heat pump advantageously constitutes a second heat exchanger between the low pressure chamber of the steam engine and the very low pressure chamber of the heat pump.
  • the "heat pump evaporator-steamer condenser" pair is preferably defined to have selected working pressures such that the steamer's refrigerant liquefaction temperature is above the boiling temperature. refrigerant heat pump, and that out of the first countercurrent type heat exchanger, the liquid refrigerant of the heat pump is at the lowest possible temperature.
  • the machine preferably comprises a fan present in the low pressure chamber and adapted to stir the cryogenic gas fluid against the evaporator of the heat pump.
  • the very high pressure chamber of the steam engine is preferably insulated and includes a heat exchanger regulated to control the influx of calories from a hot source supplying the radiator of said very high pressure chamber.
  • the steam engine preferably comprises a starting system provided with a device for low temperature setting insulated areas of the machine, a transfer gas pump or cryogenic gas fluid from the low pressure chamber to the very high pressure chamber until reaching a stabilized service pressure.
  • the steam engine advantageously comprises an electric starter.
  • the invention furthermore relates to a method for implementing a cryogenic thermal machine according to the invention for which working pressures are chosen in the different chambers so that for the couple 'condenser of the steam engine - evaporator of the heat pump »the liquefaction temperature of the refrigerant of the steam engine is higher than the boiling point of the refrigerant of the heat pump.
  • the machine comprising screw expander is introduced a very high pressure cryogenic gas at the inlet of pressure regulators simultaneously with a lubricant at the same pressure as the gaseous cryogenic fluid at very high pressure .
  • the lubricant is recycled to a storage location before the liquefaction of the cryogenic gas fluid.
  • the machine of the invention is preferably composed of elements adapted to maintenance, safety and compliance with the legislation on refrigerants and in particular:
  • the invention provides for the use of a rotary lobe screw expander.
  • the energy to move the inertial parts is spent once at startup and not twice per cycle.
  • the temperature variations for each zone delimited between the lobes is much weaker. It is the variation between two contiguous zones, that is to say the total variation divided by the number of zones delimited between high and low temperature. There is therefore less heat loss than in a piston expander.
  • Another energy advantage is that there are no valves controlled by cams.
  • the refrigerant gas is fed into the pressure reducer via a manually operated or digitally controlled pressure regulator which is located between the high pressure chamber of the steam engine and the inlet of the pressure reducer. screw.
  • This regulator makes it possible to increase, decrease or block the power delivered by the liquid injection engine.
  • the lubricant possibly freed of traces of refrigerant is stored at the pressure of the high pressure chamber.
  • a carburetor reservoir accepts the lubricant in a venturi where the gaseous refrigerant passes between the high pressure chamber and the pressure regulator.
  • the machine of the present invention therefore consists of a Rankine cycle steam engine, a heat pump and insulated enclosures.
  • the steam engine converts the caloric energy of a gaseous refrigerant into mechanical energy by means of a screw regulator.
  • the heat exchanger of the heat pump absorbs the calories of the gas cooled by the expansion in order to liquefy it.
  • a Giffard injector or a hydropneumatic pump controlled by the level of the liquid refrigerant and actuated by the gaseous refrigerant under high pressure, injects the liquid refrigerant into the countercurrent heat exchanger for this liquid refrigerant to be heated by the pump. heat.
  • the vaporized refrigerant is overheated by a circuit containing a fluid at room temperature until the refrigerant is at the working pressure for the next cycle.
  • the heat pump comprises a regulator constituted as we have seen by a heat exchanger located in the low pressure chamber of the steam engine, a fan present in the low pressure chamber of said machine circulates the gaseous refrigerant on the expander until 'to its liquefaction.
  • a rotary lobe booster creates a vacuum in the expander and propels the gaseous refrigerant from the heat pump into the condenser which is the other circuit of the countercurrent heat exchanger common to the steam engine.
  • a valve, a throat slowing the flow of liquid, or a pressure regulator regulate the maximum pressure difference between the expander and the condenser. For example one can choose a difference of 0.5 bar.
  • the liquefied refrigerant from the heat pump returns to the regulator to restart the heat pump cycle.
  • this chamber will be more readily referred to as a "very high pressure chamber", even if this high pressure does not occur. is only relative.
  • the present machine has some common characteristics with the Cryogenic Engine of Guy Négre and in particular:
  • the heat pump removes the remaining calories until the refrigerant liquefies, which can start a new cycle again;
  • the working gas is a cryogenic fluid used in a closed cycle stored in the liquid phase, working in the gaseous phase and brought back to the stock in the liquid phase;
  • the fluid is vaporized and superheated to the operating pressure by a parallel flow heat exchanger where circulates a fluid at room temperature.
  • the temperature of the gas may remain deliberately below the ambient temperature
  • the different parts of the heat pump are located in insulated enclosures near the boiling point of the refrigerant.
  • a flow of gaseous refrigerant circulates and a balance is established. Per unit of time, equivalent amounts of refrigerant vaporize in the expander, are pulsed by the booster in the gaseous state, liquefied in the exchanger against the current and return in liquid form in the expander.
  • the quantity of refrigerant transported depends on the efficiency of the booster under the difference of chosen pressure.
  • the efficiency of commercial blowers ranges from 480 liters per kW for flow rates of 3 to 4 m3 / minute and can reach 768 liters per kW for flow rates of the order of 30 to 75 m3 / min. Knowing the difference in pressure between the regulator and the condenser, the density of the gaseous refrigerant and the heat of vaporization, it is easy to calculate the EER of a particular refrigerant. There are values between 3.8 and 6.5.
  • the refrigerants of the heat pump and the steam engine can be identical. If they are of a different nature, the boiling point at atmospheric pressure of the refrigerant of the heat pump must imperatively be less than or equal to the point of liquefaction at atmospheric pressure of the refrigerant of the steam engine, in order to allow the heat transfer from the low pressure chamber of the steam engine to the very low pressure chamber of the heat pump.
  • the heat transfer from the high pressure chamber of the heat pump to the evaporator seems to never pose a question, since at constant volume and double pressure, the absolute temperature of the refrigerant will double. The issue is actually different.
  • the energy from the hot source is sufficient to evaporate and overheat the refrigerant of the steam engine.
  • a lubricant If a lubricant is present in a certain proportion, it removes as much proportion of gas. The lost momentum outweighs the gain that the enthalpy of the gas lubricant can give. The volume still accessible by the gas will be taken into account when lubricant is present.
  • the new temperature is calculated from the new volume
  • the temperature is corrected in proportion to the heat capacities of the liquid and the gas and the quantities involved.
  • the temperature of the lubricant approaches the freezing temperature of the lubricant; - the expansion of the gas reaches the limit of the screw expander, or screw regulators placed in series;
  • the pressure of the gas in the low pressure chamber becomes close to the pressure of the gas in the pressure regulator of the heat pump.
  • the transfer of heat can be done only if the pressure in the regulator is lower in the case where the refrigerant used is of the same chemical nature;
  • the number obtained is generally close to 10.5 but it can vary from 7.4 to 13.2.
  • the interest of this rule is to know this coefficient from the boiling temperature and the heat of vaporization.
  • FIG. 1 a simplified diagram of operation of a screw expander. This diagram serves as a support in the method of calculating the effects of a screw expander; in FIG. 2: a simplified diagram of a device according to the invention;
  • Figure 3 a diagram of an embodiment of the invention operating without lubricant.
  • the reference numbers of the form 3xx signal changes with respect to Figure 2;
  • Figure 4 a diagram of a variant of the invention operating with a lubricant.
  • the reference numbers of the form 4xx indicate modifications with respect to FIGS. 2 and 3.
  • the counter-current heat exchanger 235 of a heat pump heats a liquefied refrigerant.
  • the ambient air pulsed by a pump 251 inside a radiator 252, vaporizes and overheats the refrigerant.
  • a pressure regulator 204 transfers the refrigerant to the inlet of a screw expander 210 connected to a mechanical transmission shaft 219.
  • the expanded refrigerant escapes into an insulated low-pressure chamber constituted by the condenser constituting a low-pressure chamber 220 where the aerial part of the heat pump 230 liquefies the refrigerant.
  • a float 221 triggers the operation of a pump 225 which injects the liquid refrigerant into the heat exchanger 235 to cool the heat pump fluid and complete the cycle.
  • the thermal machine of FIG. 3 consists of a very high pressure chamber 301 containing in its upper part a refrigerant in the gaseous state 302.
  • a pressure regulator 204 controlled by a manual device or by a numerical control causes the refrigerant gas in a screw regulator 311.
  • the partially expanded gas passes into an expander 312.
  • a regulator screw 311 and a regulator screw 312 are mechanically connected to a transmission shaft 319 which can be the source of a mechanical movement directly used by a propeller, a driving wheel or by a conversion system such as a gearbox, an electric generator, various pumps.
  • the outlet 318 of the screw expander 312 opens into a low-pressure heat-insulated chamber constituted by the condenser constituting the low-pressure chamber 220.
  • a contact 321 moved by a float opens a valve 327 when the level 224 liquefied refrigerant exceeds a ceiling value.
  • This valve 327 holds the refrigerant gas under pressure from a pipe 360 of the upper part of the very high pressure chamber. This opening triggers the operation of a Giffard injector 225 to introduce through a check valve 326 the refrigerant in the lower part of the very high pressure chamber which is placed in a heat-insulated enclosure 232.
  • the pipe 323 which connects the valve 327 and the Giffard injector 225 is insulated to prevent the refrigerant gas under pressure from condensing at the bottom of the pipe 360.
  • a hydro-pneumatic pump driven by the refrigerant gas under pressure can replace the Giffard injector.
  • a heat pump is imbedded in both chambers of the steam engine.
  • a fan 337 and a radiator producing an evaporator 331 which is the very low pressure chamber of the heat pump.
  • evaporator 331 which is the very low pressure chamber of the heat pump.
  • insulated enclosure 232 an additional insulated wall 338 isolates a gas booster 334 and the uppermost part of the countercurrent heat exchanger from all other parts that reside there and work at a lower temperature:
  • a chamber 333 sized to accept all the refrigerant in the gaseous state in the event of prolonged stopping of the engine
  • a valve which opens when the pressure of the liquid at the outlet of the heat exchanger 235 reaches a set value, or else a constriction of a pressure regulator device 336 which limits the flow of liquid in such a way that there is a pressure difference. All or part of this pressure difference may result from the loss of load related to the number of plates of the heat exchanger 235.
  • Another insulated pipe joins the pressure regulator device 336 to the radiator constituting the evaporator 331.
  • the high pressure chamber of the heat pump is located between the gas booster 334 and the valve or necking of the pressure regulating device 336 and includes one of the two circuits of the counterflow heat exchanger 235.
  • the other circuit of the heat exchanger goes from the non-return valve 326 to the exit 340 from which escapes the refrigerant of the vapor machine in gaseous form and some liquid refrigerant if the refrigerant could not be totally vaporized.
  • These fluids are brought into the upper part of the very high pressure chamber by a pipe. Inside the upper part of the very high pressure chamber a radiator 252 will vaporize the remaining liquid refrigerant and superheat the gas obtained at the ambient ambient temperature.
  • An ambient fluid 350 is drawn by a pump 351 inside the radiator 252, and the cooled fluid is discharged into the environment at 359.
  • the heat pump cools the refrigerant of the steam engine in the condenser constituting the low pressure chamber 220 to complete the liquefaction of this refrigerant and warms it in the heat exchanger 235 to dissipate the calories it has acquired so as to to be able to continue his mission in the next cycle
  • the insulated enclosures 232 and 220 are brought to a low temperature, and a pump (not shown) transfers the refrigerant gas contained in the low pressure chamber constituted by the condenser constituting the low pressure chamber 220 to the very high pressure chamber 301 and optionally an electric starter gives a pulse on the drive shaft to move the screw regulator or regulators.
  • the embodiment of Figure 3 is suitable if the leaks between the different bearings of the screw regulators are negligible. Let's look at the case where a lubricant is absolutely necessary.
  • the very high pressure chamber 401 of the steam engine has a cell 403 for storing the lubricant.
  • a valve 405 controlled by filling a tank in the manner of a carburetor releases the lubricant into a venturi 406.
  • the Very high pressure refrigerant gas jet released by the pressure regulator 204 nebulizes the lubricant.
  • the refrigerant gas and lubricant mixture enters a first screw expander 311 or the refrigerant expands by imparting mechanical energy to the transmission shaft 319.
  • the refrigerant gas and lubricant mixture then enters the second screw expander 312 for continue the expansion of the refrigerant gas and transmit mechanical energy to the transmission shaft 319.
  • the expansion is stopped.
  • the lubricating refrigerant gas mixture passes into a heat-insulated 444 U-tube in an enclosure 420.
  • the lubricant drips onto grids and accumulates at the bottom of the U-tube and the liquid level 442 rises.
  • a contact 441 connected to a float pilot the operation of a pump 445. When the level 442 is sufficient, the pump 445 is turned on.
  • the lubricant is injected through a check valve 446 into the lubricant reservoir 403.
  • the pump 445 may be replaced by a hydropneumatic pump.
  • the gaseous refrigerant escapes from the second leg of the U-tube 444 and enters the upper zone of the low-pressure chamber where there is a second U-shaped tube 449. Thanks to the heat pump the temperature of the chamber Low pressure is much lower than the expanded gas outlet. The second U-tube is also at this very low temperature which freezes on the grids the few drops of lubricant that may have escaped the first tube U. This device thus acts as a lubricant trap. The gaseous refrigerant continues its route in the middle part of the low pressure chamber to be liquefied in contact with the condenser of the heat pump.
  • the hot source can be any natural environment, or any private or industrial heating source whose temperature is higher than the boiling temperature of the cryogenic fluid used.
  • the hot source may also consist of beams of light or electromagnetic radiation concentrated by reflectors.
  • the cold source is created artificially at startup by pumping calories through a heat pump, or using a refrigerant such as liquid nitrogen for example. This cold source is then maintained by the heat pump using part of the energy provided by the machine. As the heat pump is able to pump more calories than it consumes energy to operate, the enthalpy lost to liquefying the refrigerant will be divided by the energy efficiency ratio (EER) of the heat pump.
  • EER energy efficiency ratio
  • the sum of all the energy losses including the maintenance energy of the heat pump must be less than the energy supplied by the cryogenic thermal machine for the said machine to operate after the start-up period. If the enthalpy of liquefaction of the refrigerant is sufficiently low, then it is possible that the energy balance is favorable to the Cryogenic Thermal Machine.
  • the energy balance the available power - the consumption of the heat pump which boils down to the consumption of the gas booster 334 - the consumption for the injection of the liquid refrigerant - the possible consumption for the injection of the lubricant - the consumption for external and internal breakdowns.
  • the machine provides energy as long as the heat source provides calories.
  • the lubricant proposed here is iso pentane, because it is liquid on a large scale: +28 ° C to -160 ° C. For the di-nitrogen this lubricant does not cover the scale - 160 to -196 ° C. It largely covers the use of tetrafluorocarbon (R14) but is not miscible to it. For these two reasons, if the presence of a lubricant proves unavoidable, it is necessary to modify the Cryogenic Thermal Machine to provide a distribution of the lubricant and a lubricant trap. Also to fix the ideas, we suppose here that the first regulator with screw of the series of the regulators with screw necessary would be able in reverse mode to compress 1700 liters of air per minute. Finally the ambient temperature is 28 ° C and the starting pressure is 30 bar.
  • R14 is tetrafluoromethane (CF4)
  • R23 is trifluoromethane (CHF3).
  • dinitrogen and R14 can be selected as refrigerants for the thermal machine of the invention.
  • the R23 which differs from the R14 only by an atom can not be selected.
  • valves for evacuating and filling the steam engine and the heat pump with refrigerant
  • a Cryogenic Injection Engine (MCAI) based on the cryogenic thermal machine of the present invention can be used by directly using the mechanical force to propel marine, aquatic, submarine, underwater, ground or underground vehicles by cooling the propulsion medium.
  • MCAI Cryogenic Injection Engine
  • the MCAI provides electricity in situations where the supply of fuel is difficult or expensive, from natural sources of heat such as the ambient atmosphere, the sun, geothermal energy, so-called Provencal wells or Canadian, the water of oceans, seas, rivers, rivers or lakes, geysers.
  • MCAI is used to convert the heat dissipated in all machines used to compress gases for pneumatic machines or gas-liquefying machines into electricity or mechanical energy.
  • MCAI can trap aerosols or polluting vapors by supplying mechanical or electrical energy.
  • the MCAI can be used to cool machinery or premises by providing mechanical or electrical energy, this concerns air conditioning, refrigeration, freezing, ice rinks.
  • MCAI coupled with a heat pump can be used to heat habitats.
  • MCAI is particularly useful in case of heat wave or hostile environment such as desert areas or deep mines.

Abstract

The invention relates to a cryogenic heat engine comprising a heat pump (230) and a steam engine (210) with cryogenic fluid, both connected via a counter-flow heat exchanger (235) forming an element of the very-high-pressure chamber of the steam engine and an element of the high-pressure chamber (232) of the heat pump.

Description

MACHINE THERMIQUE CRYOGENIQUE  CRYOGENIC THERMAL MACHINE
La présente invention concerne une machine thermique cryogénique qui comporte une pompe à chaleur et une machine à vapeur à fluide cryogénique reliées au travers d'un échangeur de chaleur à contre courant. The present invention relates to a cryogenic thermal machine which comprises a heat pump and a cryogenic fluid steam machine connected through a countercurrent heat exchanger.
Son application possible est la réalisation d'un Moteur Cryogénique à injection dont le but est par exemple de co-générer du froid et de l'énergie mécanique à partir de l'énergie thermique ambiante. Its possible application is the production of a Cryogenic injection engine whose purpose is, for example, to co-generate cold and mechanical energy from ambient thermal energy.
Les machines à vapeur à cycle de Rankine sont des machines de Carnot pour lesquelles un fluide passe alternativement de la phase liquide à la phase vapeur et qui comporte ainsi un échauffement et un refroidissement isobares. En ajoutant une étape de surchauffe de la vapeur dans le cycle de Rankine, Hirn a montré une amélioration sensible du rendement. Les valeurs limites de rendement des machines de Carnot, dont font partie les machines à cycle de Rankine, sont exprimées comme le rapport des températures absolues des sources froides et chaudes. Pour simplifier, les motoristes préfèrent utiliser le taux de compression, c'est une tautologie car la pression d'un gaz est directement liée à sa température. Guy Nègre a déposé des demandes de brevets pour un moteur cryogénique à énergie thermique ambiante et pression constante et ses cycles thermodynamiques, ces demandes de brevets étant publiées sous les numéros FR2904054A1 et WO2008009681 A1 . Cette invention remplace la source froide des machines thermiques par une chambre à basse pression auto régénérée par une pompe à chaleur. Plusieurs caractéristiques de cette invention s'opposent à son industrialisation. Dans le bilan énergétique du moteur, quelques postes sont passés sous silence :  Rankine cycle steam engines are Carnot machines for which a fluid passes alternately from the liquid phase to the vapor phase and thus comprises isobaric heating and cooling. By adding a step of steam overheating in the Rankine cycle, Hirn showed a noticeable improvement in yield. The yield limit values of Carnot machines, which include Rankine cycle machines, are expressed as the ratio of absolute temperatures of cold and hot sources. For simplicity, engine manufacturers prefer to use the compression ratio, it is a tautology because the pressure of a gas is directly related to its temperature. Guy Nègre filed patent applications for a cryogenic engine with ambient thermal energy and constant pressure and its thermodynamic cycles, these patent applications being published under the numbers FR2904054A1 and WO2008009681 A1. This invention replaces the cold source of the thermal machines with a low pressure chamber self regenerated by a heat pump. Several features of this invention oppose its industrialization. In the energy balance of the engine, some posts are ignored:
- l'inertie du piston dont le mouvement cinétique est inversé deux fois par cycle ;  the inertia of the piston whose kinetic movement is reversed twice per cycle;
- le travail des cames pour l'ouverture et la fermeture de la chambre du piston ;  - the work of the cams for the opening and closing of the piston chamber;
- l'alternance de températures chaudes et froides dans la chambre du piston provoque des pertes de l'énergie calorifique. Cela au détriment de la portion convertie en énergie mécanique ; - the alternation of hot and cold temperatures in the piston chamber causes losses of heat energy. This to the detriment of the portion converted into mechanical energy;
- les fuites de gaz entre le piston et son enveloppe.  - gas leaks between the piston and its envelope.
Ce dernier point limite les gaz frigorigènes potentiels cités dans une utilisation à grande échelle :  This last point limits the potential refrigerants mentioned in a large scale use:
- pour l'hélium, une fuite représente un coût notable ;  - for helium, leakage represents a significant cost;
- pour l'hydrogène une fuite induit un risque d'explosion non négligeable ; - for hydrogen leakage induces a significant risk of explosion;
- pour tous les gaz potentiels la fuite induit un dépérissement du stock de gaz de travail, et donc une limitation de l'autonomie. - For all potential gases the leak induces a decline in the working gas stock, and therefore a limitation of autonomy.
Nous verrons dans la présente invention comment remédier à ces inconvénients et comment augmenter la liste des frigorigènes potentiels. We will see in the present invention how to overcome these disadvantages and how to increase the list of potential refrigerants.
Dans des machines à vapeur utilisant des composés organiques, des auteurs ont remplacé la turbine par un détendeur à vis ou par une cascade de détendeurs à vis. Les documents EP0803639, WO2011035073 et W09527179 décrivent de telles réalisations. In steam engines using organic compounds, authors have replaced the turbine with a screw expander or a cascade of pressure reducers. Documents EP0803639, WO2011035073 and WO9527179 describe such embodiments.
La quantité d'énergie mécanique à soustraire à la machine de Rankine pour introduire le fluide dans la chambre très haute pression sera plus faible sous forme de liquide que sous forme de gaz comprimé. Mais ceci se paye énergétiquement par une quantité très importante de chaleur, car il est nécessaire de réchauffer et surtout de vaporiser le liquide après l'avoir introduit dans la chambre très haute pression. Quoiqu'il en soit, il est possible de diminuer l'énergie consommée par la pompe. Une invention datant de plus de 140 ans, l'injecteur Giffard (8 mai 1858) a l'avantage de n'utiliser aucune pièce mécanique. Dans le passé ce fut le moyen le plus économique de réinjecter le condensât dans la chambre haute pression d'une machine à vapeur. Aujourd'hui un système hydropneumatique pourrait éventuellement le concurrencer.  The amount of mechanical energy to be subtracted from the Rankine machine to introduce the fluid into the very high pressure chamber will be smaller in the form of liquid than in the form of compressed gas. But this is paid energetically by a very large amount of heat, because it is necessary to heat and especially to vaporize the liquid after introducing it into the very high pressure chamber. Anyway, it is possible to reduce the energy consumed by the pump. An invention dating back more than 140 years, the injector Giffard (May 8, 1858) has the advantage of using no mechanical part. In the past it was the most economical way to reinject the condensate into the high pressure chamber of a steam engine. Today a hydropneumatic system could possibly compete with it.
L'écossais William Cullen a montré en 1755 que de la vapeur d'eau injectée sous une cloche à vide donnait un peu de glace. La détente d'un gaz comprimé effectuée après que le gaz soit revenu à la température ambiante peut produire une liquéfaction partielle du gaz. Grâce à un échangeur de chaleur à contre courant en 1871 Linde est parvenu à produire beaucoup plus facilement de l'air liquide. Le refroidissement est encore plus intense si de l'énergie mécanique est fournie par la détente du gaz. Ce principe a été utilisé par Georges Claude en 1902 pour perfectionner la machine de Linde avec un détendeur à piston. Avec un détendeur à piston il y des pertes énergétiques. Au contraire avec un détendeur à vis la détente est parfaitement contrôlée et presque toute l'énergie de la détente peut être utilisée à des fins pratiques. Par exemple Yo Shiotani dans le document EP2224093A1 diminue l'énergie extérieure à fournir à un compresseur en le couplant mécaniquement avec un détendeur à vis. Voir aussi le document EP0004609A2 qui concerne un dispositif de refroidissement à compresseur/détendeur à vis. Il est possible de faire fonctionner un détendeur à vis sans lubrifiant, par exemple dans le but de liquéfier un gaz comme l'azote comme décrit par exemple dans le document EP0566126. Des fuites de gaz n'empêchent pas une fraction du gaz de se liquéfier. Mais cette perte diminue le rendement d'une machine à cycle de Rankine. Parce qu'un gaz qui se détend sans fournir de travail, ne serait-ce que contre la pression atmosphérique, voit sa température augmenter. Cela a été révélé par l'expérience de la soufflerie de Modane, de l'air à la pression atmosphérique à 300 K est introduit dans un réservoir vide de gaz. La température mesurée après l'arrêt des turbulences s'élève à 500 K. The Scottish William Cullen showed in 1755 that water vapor injected under a vacuum bell gave a little ice. The expansion of a compressed gas after the gas has returned to room temperature can produce partial liquefaction of the gas. Thanks to a counter-current heat exchanger in 1871 Linde was able to produce liquid air much more easily. The cooling is even more intense if mechanical energy is provided by the expansion of the gas. This principle was used by Georges Claude in 1902 to perfect the Linde machine with a piston regulator. With a piston regulator there are energy losses. On the contrary with a screw regulator the trigger is perfectly controlled and almost all the energy of the trigger can be used for practical purposes. For example Yo Shiotani in EP2224093A1 decreases the external energy to be supplied to a compressor by mechanically coupling it with a screw expander. See also EP0004609A2 which relates to a cooling device compressor / pressure regulator screw. It is possible to operate a screwless expansion valve, for example in order to liquefy a gas such as nitrogen as described for example in EP0566126. Gas leaks do not prevent a fraction of the gas from liquefying. But this loss reduces the efficiency of a Rankine cycle machine. Because a gas that relaxes without providing work, if only against the atmospheric pressure, sees its temperature increase. This was revealed by the experience of the Modane wind tunnel, air at atmospheric pressure at 300 K is introduced into an empty gas tank. The temperature measured after stopping the turbulence is 500 K.
Les pompes à chaleur à frigorigène sont aujourd'hui un produit de large consommation. Leur coefficient de performance ou rapport d'efficacité énergétique (EER) est généralement compris entre 3 et 5. C'est une valeur moyenne donnée pour un fonctionnement entre certaines limites.  Refrigerant heat pumps are nowadays a consumer product. Their coefficient of performance or energy efficiency ratio (EER) is generally between 3 and 5. This is an average value given for operation between certain limits.
Les surpresseurs à pistons rotatifs sont industrialisés depuis 1868 (Aerzen) ils sont capables de brasser de très grandes quantités d'air ou de gaz sans lubrifiant avec une pression positive de l'ordre de 1000 millibars, ou de provoquer une dépression de l'ordre de 500 millibars. Les volumes de gaz transférés par kW fourni sont de l'ordre de 480 litres à 768 litres par minute.  The rotary piston blowers are industrialized since 1868 (Aerzen) they are able to brew very large quantities of air or gas without lubricant with a positive pressure of the order of 1000 millibars, or to cause a depression of the order 500 millibars. The volumes of gas transferred per kW supplied are in the range of 480 liters to 768 liters per minute.
Dans les échangeurs de chaleur à courants parallèles les températures de sortie des fluides sont voisines et intermédiaires entre les températures d'entrée des fluides. Au mieux 50 % de la chaleur peut être transférée. Avec les échangeurs de chaleur à contre courant la vitesse d'échange est plus faible pour une même surface, mais la quantité de chaleur échangeable est beaucoup plus élevée. En outre la température de sortie du fluide initialement « chaud » est proche et légèrement supérieure à la température d'entrée du fluide « froid », et la température de sortie du fluide initialement « froid » est proche et légèrement inférieure à la température d'entrée du fluide « chaud ». A performances égales, les échangeurs à plaques sont plus compacts et meilleurs marchés que les autres types d'échangeurs à contre courant. Typiquement avec un échangeur à plaques, on peut obtenir des écarts de l'ordre de 3° C sur chacun des couples entrée/sortie. Pour le même débit en augmentant la surface des plaques et/ou le nombre des plaques l'écart peut descendre à 2° C ou plus bas, a limite de l'écart est due à la perte de pression, dite perte de charge qui est proportionnelle aux nombre des plaques. Parmi les échangeurs à plaques industrialisés beaucoup peuvent travailler dans des intervalles de température compris entre 200 ° C et -200 °C sous des pressions jusqu'à 30 bars. In parallel flow heat exchangers the fluid outlet temperatures are near and intermediate between the fluid inlet temperatures. At best 50% of the heat can be transferred. With countercurrent heat exchangers the exchange rate is lower for the same area, but the amount of exchangeable heat is much higher. In addition, the outlet temperature of the initially "hot" fluid is close to and slightly greater than the inlet temperature of the "cold" fluid, and the outlet temperature of the fluid initially "cold" is near and slightly lower than the inlet temperature of the fluid "hot". At equal performance, plate heat exchangers are more compact and cheaper than other types of countercurrent heat exchangers. Typically with a plate exchanger, it is possible to obtain deviations of the order of 3 ° C. on each of the input / output pairs. For the same flow rate by increasing the surface of the plates and / or the number of plates the difference can go down to 2 ° C or lower, a limit of the difference is due to the loss of pressure, called pressure drop which is proportional to the number of plates. Many of the industrialized plate heat exchangers can work in temperature ranges from 200 ° C to -200 ° C under pressures up to 30 bar.
Depuis les travaux préliminaires au protocole de Kyoto, la plupart des Etats ont pris conscience de l'intérêt à limiter les émissions de C02 et à ne pas utiliser des fluides à effets de serre.  Since the preliminary work to the Kyoto Protocol, most states have realized the interest in limiting CO2 emissions and not using greenhouse fluids.
Comme toutes les machines thermiques, les moteurs cryogéniques sont soumis au deuxième principe de la thermodynamique. Des solutions envisagées dans les machines thermiques conventionnelles pour diminuer les pertes énergétiques peuvent être appliquées aux machines cryogéniques. Like all thermal machines, cryogenic engines are subject to the second principle of thermodynamics. Solutions envisaged in conventional thermal machines for reducing energy losses can be applied to cryogenic machines.
Au vu de cet art antérieur, la présente invention propose une machine thermique cryogénique comportant une pompe à chaleur et une machine à vapeur à fluide cryogénique reliées au travers d'un premier échangeur de chaleur relié à une chambre très haute pression de la machine à vapeur par une sortie, ledit premier échangeur renfermant un élément de chambre haute pression de la pompe à chaleur, pour laquelle la pompe à chaleur comporte un évaporateur constituant une chambre très basse pression, un condenseur constituant ladite chambre haute pression, un surpresseur à gaz calorifugé et un dispositif régulateur de pression, la machine à vapeur comportant un condenseur calorifugé constituant une chambre basse pression de la machine à vapeur.  In view of this prior art, the present invention proposes a cryogenic thermal machine comprising a heat pump and a cryogenic fluid steam machine connected through a first heat exchanger connected to a very high pressure chamber of the steam engine. an outlet, said first exchanger enclosing a high pressure chamber element of the heat pump, for which the heat pump comprises an evaporator constituting a very low pressure chamber, a condenser constituting said high pressure chamber, an insulated gas booster and a pressure regulating device, the steam engine comprising an insulated condenser constituting a low pressure chamber of the steam engine.
Avantageusement le premier échangeur de chaleur est constitué d'un évaporateur calorifugé.  Advantageously, the first heat exchanger consists of a heat-insulated evaporator.
La chambre très haute pression comporte préférablement un radiateur surchauffeur du fluide cryogénique.  The very high pressure chamber preferably comprises a radiator superheater cryogenic fluid.
La machine comporte avantageusement un régulateur de pression ajustable, un détendeur à vis ou plusieurs détendeurs à vis reliés en série et un injecteur de fluide cryogénique liquide entre la chambre basse pression et la chambre très haute pression. The machine advantageously comprises an adjustable pressure regulator, a pressure regulator or several screw regulators connected in series and an injector of liquid cryogenic fluid between the low pressure chamber and the very high pressure chamber.
Selon un mode de réalisation particulier, la machine comporte plusieurs détendeurs à vis et une liaison mécanique entre au moins une des vis de chaque détendeur à vis et un arbre de transmission mécanique.  According to a particular embodiment, the machine comprises several screw expander and a mechanical connection between at least one of the screws of each screw expander and a mechanical transmission shaft.
L'évaporateur de la pompe à chaleur constitue avantageusement un second échangeur de chaleur entre la chambre basse pression de la machine à vapeur et la chambre très basse pression de la pompe à chaleur.  The evaporator of the heat pump advantageously constitutes a second heat exchanger between the low pressure chamber of the steam engine and the very low pressure chamber of the heat pump.
Le couple « condenseur de la machine à vapeur - évaporateur de la pompe à chaleur » est préférablement défini pour avoir des pressions de travail choisies de telle sorte que la température de liquéfaction du frigorigène de la machine à vapeur soit supérieure à la température d'ébullition du frigorigène de la pompe à chaleur, et qu'en sortant du premier échangeur de chaleur de type à contre courant, le frigorigène liquide de la pompe à chaleur soit à la température la plus basse possible. The "heat pump evaporator-steamer condenser" pair is preferably defined to have selected working pressures such that the steamer's refrigerant liquefaction temperature is above the boiling temperature. refrigerant heat pump, and that out of the first countercurrent type heat exchanger, the liquid refrigerant of the heat pump is at the lowest possible temperature.
La machine comporte préférablement un ventilateur présent dans la chambre basse pression et adapté à brasser le fluide cryogénique gazeux contre l'évaporateur de la pompe à chaleur.  The machine preferably comprises a fan present in the low pressure chamber and adapted to stir the cryogenic gas fluid against the evaporator of the heat pump.
La chambre très haute pression de la machine à vapeur est préférablement calorifugée et comporte un échangeur de chaleur régulé pour contrôler l'afflux des calories provenant d'une source chaude alimentant le radiateur de ladite chambre très haute pression. The very high pressure chamber of the steam engine is preferably insulated and includes a heat exchanger regulated to control the influx of calories from a hot source supplying the radiator of said very high pressure chamber.
La machine à vapeur comporte préférablement un système de démarrage muni d'un dispositif de mise en basse température de zones calorifugées de la machine, une pompe à gaz de transfert du ou des fluides cryogéniques gazeux de la chambre basse pression à la chambre très haute pression jusqu'à atteindre une pression de service stabilisée.  The steam engine preferably comprises a starting system provided with a device for low temperature setting insulated areas of the machine, a transfer gas pump or cryogenic gas fluid from the low pressure chamber to the very high pressure chamber until reaching a stabilized service pressure.
La machine à vapeur comporte avantageusement un démarreur électrique.  The steam engine advantageously comprises an electric starter.
L'invention concerne en outre un procédé de mise en oeuvre d'une machine thermique cryogénique selon l'invention pour lequel on choisit des pressions de travail dans les différentes chambres de telle sorte que pour le couple « condenseur de la machine à vapeur - évaporateur de la pompe à chaleur» la température de liquéfaction du frigorigène de la machine à vapeur est supérieure à la température d'ébullition du frigorigène de la pompe à chaleur. The invention furthermore relates to a method for implementing a cryogenic thermal machine according to the invention for which working pressures are chosen in the different chambers so that for the couple 'condenser of the steam engine - evaporator of the heat pump »the liquefaction temperature of the refrigerant of the steam engine is higher than the boiling point of the refrigerant of the heat pump.
Le procédé comporte avantageusement un cycle thermodynamique suivant les six phases suivantes : The method advantageously comprises a thermodynamic cycle according to the following six phases:
- Injection d'un fluide cryogénique liquide à haute pression ; - Injection of a high pressure liquid cryogenic fluid;
- Vaporisation du fluide cryogénique liquide par la pompe à chaleur ;  - Vaporization of the liquid cryogenic fluid by the heat pump;
- Surchauffe du fluide cryogénique gazeux à la pression d'utilisation ;  - Overheating of the cryogenic gas fluid at the operating pressure;
- Détente produisant un travail et un abaissement de température ;  - Relaxation producing work and lowering temperature;
- Echappement en cycle fermé dans la chambre basse pression ;  - Exhaust in closed cycle in the low pressure chamber;
- Liquéfaction du fluide cryogénique gazeux par la pompe à chaleur. - Liquefaction of the cryogenic gas fluid by the heat pump.
Selon un mode de réalisation particulier, la machine comportant des détendeurs à vis, on introduit un fluide cryogénique gazeux à très haute pression à l'entrée de détendeurs à vis simultanément à un lubrifiant à la même pression que le fluide cryogénique gazeux à très haute pression.  According to a particular embodiment, the machine comprising screw expander is introduced a very high pressure cryogenic gas at the inlet of pressure regulators simultaneously with a lubricant at the same pressure as the gaseous cryogenic fluid at very high pressure .
Avantageusement le lubrifiant est recyclé vers un lieu de stockage avant la liquéfaction du fluide cryogénique gazeux. Advantageously, the lubricant is recycled to a storage location before the liquefaction of the cryogenic gas fluid.
La machine de l'invention est préférablement constituée d'éléments adaptés à la maintenance, à la sécurité et au respect de la législation sur les fluides frigorigènes et notamment :  The machine of the invention is preferably composed of elements adapted to maintenance, safety and compliance with the legislation on refrigerants and in particular:
- des valves spéciales pour la mise sous vide des chambres du moteur et l'introduction des fluides cryogénique ; - special valves for evacuation of engine chambers and the introduction of cryogenic fluids;
- un dimensionnement suffisant de la chambre basse pression de la machine à vapeur et valve de sécurité entre la chambre très haute pression et la chambre basse pression de la machine à vapeur pour que le fluide cryogénique puisse s'équilibrer sans risque de fuites en cas d'arrêt de la machine ;  a sufficient dimensioning of the low pressure chamber of the steam engine and safety valve between the very high pressure chamber and the low pressure chamber of the steam engine so that the cryogenic fluid can equilibrate without risk of leakage in the event of stopping the machine;
- une chambre très basse pression de la pompe à chaleur de volume suffisant pour que le fluide cryogénique puisse s'équilibrer sans risque de fuites en cas d'arrêt de la machine.  - A very low pressure chamber of the heat pump of sufficient volume so that the cryogenic fluid can equilibrate without risk of leakage in case of stopping the machine.
Pour réduire les pertes mécaniques et calorifiques par rapport à un piston, l'invention prévoit d'utiliser un détendeur à vis à lobes rotatifs. Comme le mouvement est rotatif et continu, l'énergie pour mettre en mouvement les parties inertielles est dépensée une seule fois au démarrage et non deux fois par cycle. D'autre part à l'équilibre de fonctionnement les variations de températures pour chaque zone délimitée entre les lobes sont beaucoup plus faibles. C'est la variation entre deux zones contiguës, c'est-à-dire la variation totale divisée par le nombre des zones délimitées entre haute et basse température. Il y a donc moins de pertes calorifiques que dans un détendeur à piston. Un autre avantage énergétique est qu'il n'y a pas de clapets commandés par des cames. In order to reduce the mechanical and heat losses with respect to a piston, the invention provides for the use of a rotary lobe screw expander. As the movement is rotary and continuous, the energy to move the inertial parts is spent once at startup and not twice per cycle. On the other hand at the operating equilibrium the temperature variations for each zone delimited between the lobes is much weaker. It is the variation between two contiguous zones, that is to say the total variation divided by the number of zones delimited between high and low temperature. There is therefore less heat loss than in a piston expander. Another energy advantage is that there are no valves controlled by cams.
L'admission du gaz frigorigène dans le détendeur à vis se fait par l'intermédiaire d'un régulateur de pression à commande manuelle ou à commande digitale qui est placé entre la chambre haute pression de la machine à vapeur et l'entrée du détendeur à vis. Le réglage de ce régulateur permet d'augmenter, de diminuer ou de bloquer la puissance délivrée par le moteur à injection liquide.  The refrigerant gas is fed into the pressure reducer via a manually operated or digitally controlled pressure regulator which is located between the high pressure chamber of the steam engine and the inlet of the pressure reducer. screw. The setting of this regulator makes it possible to increase, decrease or block the power delivered by the liquid injection engine.
En ce qui concerne les fuites de gaz frigorigène vers l'extérieur, elles se limitent à l'espace entre l'arbre de transmission mécanique et son enveloppe. Ces fuites deviennent improbables si la pression de la chambre basse pression est choisie voisine de la pression atmosphérique. Il est possible d'y ajouter le système d'étanchéité par paliers qui est utilisé dans les compresseurs à vis pour les gaz, du côté haute pression.  As far as refrigerant gas leaks to the outside are concerned, they are limited to the space between the mechanical transmission shaft and its casing. These leaks become unlikely if the pressure of the low pressure chamber is chosen close to the atmospheric pressure. It is possible to add the step sealing system which is used in gas screw compressors on the high pressure side.
Il y a une deuxième manière d'envisager les pertes produites par une fuite de gaz frigorigène qui est purement énergétique. C'est la perte de charge par diffusion entre deux compartiments séparés par les lobes rotatifs. Il y a deux façons d'y remédier :  There is a second way to consider the losses produced by a refrigerant gas leak that is purely energetic. This is the loss of charge by diffusion between two compartments separated by the rotating lobes. There are two ways to fix it:
- En diminuant le pas des vis pour que la différence de pression entre deux compartiments séparés par les lobes rotatifs soit plus faible.  - By reducing the pitch of the screws so that the pressure difference between two compartments separated by the rotary lobes is lower.
- Ou en ajoutant un lubrifiant liquide au gaz. Par capillarité le lubrifiant va renforcer l'étanchéité des compartiments entre eux.  - Or by adding a liquid lubricant to the gas. By capillarity the lubricant will enhance the sealing of the compartments with each other.
Dans le cas où la première solution ne donne pas satisfaction, il est possible de réaliser la seconde de la manière suivante. Le lubrifiant éventuellement débarrassé des traces de frigorigène est stocké à la pression de la chambre haute pression. Un réservoir de carburateur admet le lubrifiant dans un venturi où passe le frigorigène gazeux entre la chambre haute pression et le détendeur à vis. Il y a pulvérisation de lubrifiant à l'entrée du détendeur à vis. In the case where the first solution does not give satisfaction, it is possible to perform the second in the following manner. The lubricant possibly freed of traces of refrigerant is stored at the pressure of the high pressure chamber. A carburetor reservoir accepts the lubricant in a venturi where the gaseous refrigerant passes between the high pressure chamber and the pressure regulator. There is lubricant spray at the inlet of the screw regulator.
Enfin les zones à basse température sont calorifugées pour diminuer le réchauffement à la température ambiante qui est une des causes de pertes particulières aux moteurs cryogéniques. La machine de la présente invention est donc constituée d'une machine à vapeur à cycle de Rankine, d'une pompe à chaleur et d'enceintes calorifugées. Finally, the low temperature zones are insulated to reduce warming to ambient temperature which is one of the causes of particular losses to cryogenic engines. The machine of the present invention therefore consists of a Rankine cycle steam engine, a heat pump and insulated enclosures.
La machine à vapeur transforme l'énergie calorique d'un frigorigène gazeux en énergie mécanique grâce à un détendeur à vis. Dans la chambre basse pression de cette machine l'échangeur de chaleur de la pompe à chaleur absorbe les calories du gaz refroidi par la détente afin de le liquéfier. Un injecteur de Giffard ou une pompe hydropneumatique, commandés par le niveau du frigorigène liquide et actionnés par le frigorigène gazeux sous haute pression, injecte le frigorigène liquide dans l'échangeur de chaleur à contre courant pour que ce frigorigène liquide soit réchauffé par la pompe à chaleur. Poussé par les injections successives de liquide, le frigorigène vaporisé est surchauffé par un circuit contenant un fluide à température ambiante jusqu'à ce que le frigorigène soit à la pression de travail pour le cycle suivant. The steam engine converts the caloric energy of a gaseous refrigerant into mechanical energy by means of a screw regulator. In the low pressure chamber of this machine, the heat exchanger of the heat pump absorbs the calories of the gas cooled by the expansion in order to liquefy it. A Giffard injector or a hydropneumatic pump, controlled by the level of the liquid refrigerant and actuated by the gaseous refrigerant under high pressure, injects the liquid refrigerant into the countercurrent heat exchanger for this liquid refrigerant to be heated by the pump. heat. Driven by successive liquid injections, the vaporized refrigerant is overheated by a circuit containing a fluid at room temperature until the refrigerant is at the working pressure for the next cycle.
La pompe à chaleur comprend un détendeur constitué nous l'avons vu par un échangeur de chaleur situé dans la chambre basse pression de la machine à vapeur, un ventilateur présent dans la chambre basse pression de ladite machine fait circuler le frigorigène gazeux sur le détendeur jusqu'à sa liquéfaction. Un surpresseur à lobes rotatifs crée une dépression dans le détendeur et propulse le frigorigène gazeux de la pompe à chaleur dans le condenseur qui est l'autre circuit de l'échangeur de chaleur à contre courant commun avec la machine à vapeur.  The heat pump comprises a regulator constituted as we have seen by a heat exchanger located in the low pressure chamber of the steam engine, a fan present in the low pressure chamber of said machine circulates the gaseous refrigerant on the expander until 'to its liquefaction. A rotary lobe booster creates a vacuum in the expander and propels the gaseous refrigerant from the heat pump into the condenser which is the other circuit of the countercurrent heat exchanger common to the steam engine.
Une valve, un étranglement ralentissant le débit de liquide, ou un régulateur de pression règlent la différence de pression maximale entre le détendeur et le condenseur. Par exemple on peut choisir une différence de 0,5 bar. Le frigorigène liquéfié de la pompe à chaleur retourne dans le détendeur pour recommencer le cycle de la pompe à chaleur. Pour distinguer la haute pression très relative de la pompe à chaleur de la pression plus haute de la chambre haute pression de la machine à vapeur, on appellera plus volontiers cette chambre : « chambre à très haute pression », même si cette haute pression n'est que relative.  A valve, a throat slowing the flow of liquid, or a pressure regulator regulate the maximum pressure difference between the expander and the condenser. For example one can choose a difference of 0.5 bar. The liquefied refrigerant from the heat pump returns to the regulator to restart the heat pump cycle. To distinguish the very high relative pressure of the heat pump from the higher pressure of the high pressure chamber of the steam engine, this chamber will be more readily referred to as a "very high pressure chamber", even if this high pressure does not occur. is only relative.
La présente machine possède quelques caractéristiques communes avec le Moteur Cryogénique de Guy Nègre et notamment : The present machine has some common characteristics with the Cryogenic Engine of Guy Nègre and in particular:
- À la sortie du détendeur à vis le gaz pénètre dans la chambre basse pression avec une température insuffisamment basse pour se liquéfier spontanément ; - At the outlet of the screw regulator the gas enters the low pressure chamber with insufficiently low temperature to liquefy spontaneously;
- Dans la chambre basse pression la pompe à chaleur retire les calories restantes jusqu'à la liquéfaction du frigorigène qui peut recommencer un nouveau cycle ;  - In the low pressure chamber, the heat pump removes the remaining calories until the refrigerant liquefies, which can start a new cycle again;
- le gaz de travail est un fluide cryogénique utilisé en cycle fermé stocké en phase liquide, travaillant en phase gazeuse et ramené au stock en phase liquide ;  the working gas is a cryogenic fluid used in a closed cycle stored in the liquid phase, working in the gaseous phase and brought back to the stock in the liquid phase;
- Le gaz sous très haute pression est admis à l'entrée d'un détendeur à vis dont les vis sont reliées à un arbre moteur, ce qui est semblable sur la finalité.  - The gas under very high pressure is admitted to the inlet of a screw expander whose screws are connected to a motor shaft, which is similar in purpose.
Il s'en distingue par plusieurs autres :  He distinguishes himself by several others:
- Le fluide à l'état liquide et à basse température est injecté dans la partie inférieure de la chambre très haute pression ;  - The fluid in the liquid state and at low temperature is injected into the lower part of the very high pressure chamber;
- Dans la partie inférieure de la chambre très haute pression constituée par un des deux circuits d'un échangeur de chaleur à contre courant le fluide liquide est réchauffé par la pompe à chaleur dont le fluide passe dans l'autre circuit ;  - In the lower part of the very high pressure chamber constituted by one of the two circuits of a countercurrent heat exchanger the liquid fluid is heated by the heat pump whose fluid passes into the other circuit;
- Dans la partie supérieure de la chambre très haute pression le fluide est vaporisé et surchauffé jusqu'à la pression d'utilisation par un échangeur de chaleur à courants parallèles où circule un fluide à température ambiante. - In the upper part of the very high pressure chamber the fluid is vaporized and superheated to the operating pressure by a parallel flow heat exchanger where circulates a fluid at room temperature.
La température du gaz peut rester volontairement en deçà de la température ambiante ; The temperature of the gas may remain deliberately below the ambient temperature;
- La détente du gaz provoque la rotation des vis et l'énergie du gaz est transformée en travail mécanique ce qui diminue sa température. (semblable sur la finalité).  - The expansion of the gas causes the rotation of the screws and the energy of the gas is transformed into mechanical work which decreases its temperature. (similar on the purpose).
Revenons maintenant sur la pompe à chaleur. Les différentes parties de la pompe à chaleur sont situées dans des enceintes calorifugées au voisinage de la température d'ébullition du frigorigène. Lorsque le surpresseur fonctionne, un flux de frigorigène gazeux circule et un équilibre s'établit. Par unité de temps, des quantités équivalentes de frigorigène se vaporisent dans le détendeur, sont puisées par le surpresseur à l'état gazeux, se liquéfient dans l'échangeur à contre courant et reviennent sous forme liquide dans le détendeur. La quantité de frigorigène transportée dépend de l'efficacité du surpresseur sous la différence de pression choisie. L'efficacité des surpresseurs commercialisés va de 480 litres par kW pour des débits de 3 à 4 m3/minute et peut atteindre 768 litres par kW pour des débits de l'ordre de 30 à 75 m3/mn. Connaissant la différence de pression entre le détendeur et le condenseur, la densité du frigorigène gazeux et la chaleur de vaporisation, il est facile de calculer l'EER d'un frigorigène particulier. On retrouve des valeurs comprises entre 3,8 et 6,5. Now back on the heat pump. The different parts of the heat pump are located in insulated enclosures near the boiling point of the refrigerant. When the booster works, a flow of gaseous refrigerant circulates and a balance is established. Per unit of time, equivalent amounts of refrigerant vaporize in the expander, are pulsed by the booster in the gaseous state, liquefied in the exchanger against the current and return in liquid form in the expander. The quantity of refrigerant transported depends on the efficiency of the booster under the difference of chosen pressure. The efficiency of commercial blowers ranges from 480 liters per kW for flow rates of 3 to 4 m3 / minute and can reach 768 liters per kW for flow rates of the order of 30 to 75 m3 / min. Knowing the difference in pressure between the regulator and the condenser, the density of the gaseous refrigerant and the heat of vaporization, it is easy to calculate the EER of a particular refrigerant. There are values between 3.8 and 6.5.
Les frigorigènes de la pompe à chaleur et de la machine à vapeur peuvent être identiques. S'ils sont de nature différente, le point d'ébullition à la pression atmosphérique du frigorigène de la pompe à chaleur doit être impérativement inférieur ou égal au point de liquéfaction à la pression atmosphérique du frigorigène de la machine à vapeur, afin de permettre le transfert calorifique depuis la chambre basse pression de la machine à vapeur vers la chambre très basse pression de la pompe à chaleur. Le transfert calorifique depuis la chambre haute pression de la pompe à chaleur vers l'évaporateur semble ne jamais poser de question, puisque à volume constant et à pression double, la température absolue du frigorigène va doubler. L'enjeu est en réalité différent. L'énergie de la source chaude est suffisante pour évaporer et surchauffer le frigorigène de la machine à vapeur. Ce dont l'ensemble du système à besoin c'est de faire en sorte que le frigorigène liquéfié de la pompe à chaleur soit à la température la plus basse possible avant de venir dans l'évaporateur de la pompe à chaleur, On y parvient en faisant travailler le surpresseur en dépression, car sous très basse pression la température d'évaporation du frigorigène de la pompe à chaleur est plus faible que la température de liquéfaction du frigorigène de la pompe à chaleur détendu à une pression plus élevée  The refrigerants of the heat pump and the steam engine can be identical. If they are of a different nature, the boiling point at atmospheric pressure of the refrigerant of the heat pump must imperatively be less than or equal to the point of liquefaction at atmospheric pressure of the refrigerant of the steam engine, in order to allow the heat transfer from the low pressure chamber of the steam engine to the very low pressure chamber of the heat pump. The heat transfer from the high pressure chamber of the heat pump to the evaporator seems to never pose a question, since at constant volume and double pressure, the absolute temperature of the refrigerant will double. The issue is actually different. The energy from the hot source is sufficient to evaporate and overheat the refrigerant of the steam engine. What the whole system needs is to ensure that the liquefied refrigerant of the heat pump is at the lowest possible temperature before coming into the evaporator of the heat pump, It is achieved by causing the booster to work in depression, because under very low pressure the evaporation temperature of the refrigerant of the heat pump is lower than the liquefaction temperature of the refrigerant of the heat pump expanded to a higher pressure
Calculons les transformations d'énergies de la Machine Thermique Cryogénique. Un volume de gaz sous pression à la température d'utilisation pénètre dans le détendeur à vis à chaque tour. Pendant le même tour la détente du gaz s'effectue tout le long du détendeur et pendant ce même tour la même quantité de gaz sort à l'autre extrémité du détendeur sous un volume plus grand et une température plus basse. Voir la figure 1 qui schématise les variations de volume entre deux « pincements » correspondant au pas des vis du détendeur pour chaque fraction de tour. Let's calculate the energy transformations of the Cryogenic Thermal Machine. A volume of pressurized gas at the operating temperature enters the screw expander at each turn. During the same turn, the expansion of the gas is carried out all along the regulator and during this same turn the same amount of gas exits at the other end of the regulator under a larger volume and a lower temperature. See Figure 1 which schematizes the volume variations between two "pinches" corresponding to the screw of the regulator for each fraction of a turn.
Comme nous travaillons à des températures basses de plus en plus proches du point de liquéfaction du frigorigène, les équations des gaz parfaits ne sont plus utilisables. Il faut tenir compte de la capacité calorifique du gaz. Cv est la capacité calorifique à volume constant et Cp la capacité calorifique à pression constante. L'énergie calorifique transférable venant du gaz est donc au départ : As we work at low temperatures increasingly closer to the point of refrigerant liquefaction, perfect gas equations are no longer usable. The heat capacity of the gas must be taken into account. Cv is the heat capacity at constant volume and Cp the heat capacity at constant pressure. The transferable heat energy from the gas is therefore at the beginning:
Hgaz = n .R.Ti + n . Cv . Ti = (R + Cv) . n . Ti  Hgaz = n .R.Ti + n. Cv. Ti = (R + Cv). not . Ti
Plus simplement en notant que Cp = Cv + R :  More simply by noting that Cp = Cv + R:
Hgaz = Cp . n . Ti  Hgaz = Cp. not . Ti
Cette capacité calorifique varie elle-même avec la température de manière calculable généralement présentée sous la forme :  This heat capacity itself varies with the temperature in a calculable manner generally presented in the form:
Cp = a + b . T + c . T2 + ... Cp = a + b. T + c. T 2 + ...
Si un lubrifiant est présent dans une certaine proportion, cela retire autant de proportion de gaz. La force vive perdue l'emporte sur le gain que peut donner l'enthalpie du lubrifiant au gaz. On tiendra compte du volume encore accessible par le gaz quand du lubrifiant sera présent.  If a lubricant is present in a certain proportion, it removes as much proportion of gas. The lost momentum outweighs the gain that the enthalpy of the gas lubricant can give. The volume still accessible by the gas will be taken into account when lubricant is present.
Comme il y a tout le long du détendeur des variations de volume qui induisent des variations de pression qui induisent des variations de température une formule statique ne convient pas. Il faut intégrer les conséquences de variations infinitésimales. Since there are volume variations throughout the regulator that induce pressure variations that induce temperature variations, a static formula is not suitable. We must integrate the consequences of infinitesimal variations.
À chaque variation infinitésimale du volume correspond une énergie mécanique transférée :  With each infinitesimal variation of the volume corresponds a transferred mechanical energy:
dE = dV . P  dE = dV. P
Cette énergie est soustraite de l'énergie présente à l'instant précédent :  This energy is subtracted from the energy present at the previous moment:
H(t+dt) = H(t) - (dV . P)  H (t + dt) = H (t) - (dV P)
La nouvelle température est calculée à partir du nouveau volume The new temperature is calculated from the new volume
S'il y a un lubrifiant, la température est corrigée au prorata des capacités calorifiques du liquide et du gaz et des quantités en présence. If there is a lubricant, the temperature is corrected in proportion to the heat capacities of the liquid and the gas and the quantities involved.
Enfin la nouvelle pression est calculée en fonction du nouveau volume et de la nouvelle température. Finally the new pressure is calculated according to the new volume and the new temperature.
L'intégration s'arrête, ou doit être discutée, lorsqu'une des conditions qui limitent la transformation énergétique apparaît. Ces conditions sont les suivantes :  Integration stops, or has to be discussed, when one of the conditions that limit energy transformation appears. These conditions are as follows:
- toute l'énergie disponible a déjà été transformée en énergie mécanique ; - all available energy has already been converted into mechanical energy;
- la température du lubrifiant s'approche de la température de congélation du lubrifiant ; - la détente du gaz atteint la limite du détendeur à vis, ou des détendeurs à vis placés en série ; the temperature of the lubricant approaches the freezing temperature of the lubricant; - the expansion of the gas reaches the limit of the screw expander, or screw regulators placed in series;
- La pression du gaz dans la chambre basse pression devient voisine de la pression du gaz dans le détendeur de la pompe à chaleur. Le transfert de chaleur ne pouvant se faire que si la pression dans le détendeur est plus basse dans le cas où le frigorigène utilisé est de même nature chimique ; - The pressure of the gas in the low pressure chamber becomes close to the pressure of the gas in the pressure regulator of the heat pump. The transfer of heat can be done only if the pressure in the regulator is lower in the case where the refrigerant used is of the same chemical nature;
- la température du gaz s'approche de la température de liquéfaction du gaz pour la pression obtenue ; the temperature of the gas approaches the liquefaction temperature of the gas for the pressure obtained;
En ce qui concerne ces deux derniers points, il est possible de les connaître en regardant le graphique de Mollier du frigorigène utilisé. Malheureusement les graphiques de Mollier ne sont pas disponibles pour tous les frigorigènes ou bien il manque parfois la partie basse de la courbe si elle n'intéresse pas vraiment les frigoristes. Plus avantageusement nous pouvons l'estimer à l'aide de la règle de Trouton-HildeBrand:  Regarding these last two points, it is possible to know them by looking at the Mollier chart of the refrigerant used. Unfortunately, Mollier's graphics are not available for all refrigerants or sometimes the lower part of the curve is missing if it does not really interest the refrigeration specialists. More advantageously we can estimate it using the Trouton-HildeBrand rule:
dSHild/R = dSébul / R-ln(Tébul/373)  dSHild / R = dSebul / R-ln (Tebul / 373)
Le nombre obtenu est généralement voisin de 10,5 mais il peut varier de 7,4 à 13,2. L'intérêt de cette règle est de connaître ce coefficient à partir de la température d'ébullition et de la chaleur de vaporisation.  The number obtained is generally close to 10.5 but it can vary from 7.4 to 13.2. The interest of this rule is to know this coefficient from the boiling temperature and the heat of vaporization.
Références : References :
- Wikipédia : Règle de Trouton.  - Wikipedia: Trouton Rule.
- Trouton a montré le premier que l'entropie d'ébullition de la plupart des liquides était de l'ordre de (10 ;5 +/- 0,5). R où R est la constante des gaz parfaits  - Trouton showed first that the entropy of boiling of most liquids was of the order of (10; 5 +/- 0.5). R where R is the constant of perfect gases
- F. Trouton, Philosophical Magazine, 1884, 18, p.54.  - F. Trouton, Philosophical Magazine, 1884, 18, p.54.
- Hildebrand a effectué une correction avec les températures d'ébullition qui fait que la règle de Trouton-Hildebrand est vérifiée dans tout le domaine des températures d'ébullition  - Hildebrand has made a correction with the boiling temperatures that makes the rule of Trouton-Hildebrand is verified throughout the field of boiling temperatures
- J. Hildebrand, J. Am. Chem. Soc, 1915, 37, p.970, 1918, 40, p. 45.  J. Hildebrand, J. Am. Chem. Soc., 1915, 37, p.970, 1918, 40, p. 45.
- J. Hildebrand et R.L. Scott, The Solubility of Nonelectrolytes, Dover publications, 3ème éd., 1964, p. 79. - J. Hildebrand and RL Scott, The Solubility of Nonelectrolytes, Dover Publications, 3rd ed, 1964, p.. 79.
La transposition suivante de cette règle :  The following transposition of this rule:
Pébul = exp (dSHild/R*(Tdét-Tébul à 1 bar)/Tdét)) Pébul = exp (dSHild / R * (Tdét-Tebul at 1 bar) / Tdét))
donne la pression d'ébullition pour une température donnée avec généralement une assez bonne précision. Il est possible avec un tableur de reconstituer la partie gauche des graphes de Mollier et de vérifier la valeur du calcul sur les portions des graphes disponibles. gives the boiling pressure for a given temperature with usually a good enough precision. It is possible with a spreadsheet to reconstruct the left part of Mollier's graphs and to check the value of the calculation on the portions of the graphs available.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation non limitatifs de l'invention en référence aux dessins qui représentent :  Other features and advantages of the invention will become apparent on reading the following description of non-limiting exemplary embodiments of the invention with reference to the drawings which represent:
en figure 1 : un schéma simplifié de fonctionnement d'un détendeur à vis. Ce schéma sert de support dans la méthode de calcul des effets d'un détendeur à vis; en figure 2: un schéma simplifié d'un dispositif selon l'invention ; in Figure 1: a simplified diagram of operation of a screw expander. This diagram serves as a support in the method of calculating the effects of a screw expander; in FIG. 2: a simplified diagram of a device according to the invention;
en figure 3: un schéma d'un exemple de réalisation de l'invention fonctionnant sans lubrifiant. Les numéros de référence de la forme 3xx signalent des modifications par rapport à la figure 2 ; in Figure 3: a diagram of an embodiment of the invention operating without lubricant. The reference numbers of the form 3xx signal changes with respect to Figure 2;
en figure 4: un schéma d'une variante de l'invention fonctionnant avec un lubrifiant. Les numéros de référence de la forme 4xx signalent des modifications par rapport aux figures 2 et 3. in Figure 4: a diagram of a variant of the invention operating with a lubricant. The reference numbers of the form 4xx indicate modifications with respect to FIGS. 2 and 3.
Selon la machine thermique de la figure 2, dans la partie inférieure calorifugée 232 d'une chambre haute pression, l'échangeur de chaleur à contre courant 235 d'une pompe à chaleur réchauffe un frigorigène liquéfié.  According to the thermal machine of FIG. 2, in the heat-insulated lower part 232 of a high-pressure chamber, the counter-current heat exchanger 235 of a heat pump heats a liquefied refrigerant.
L'air ambiant, puisé par une pompe 251 à l'intérieur d'un radiateur 252, vaporise et surchauffe le frigorigène. Un régulateur de pression 204 transfère le frigorigène à l'entrée d'un détendeur à vis 210 relié à un arbre de transmission mécanique 219. Le frigorigène détendu s'échappe dans une chambre basse pression calorifugée constituée par le condenseur constituant une chambre basse pression 220 où la partie aérienne de la pompe à chaleur 230 liquéfie le frigorigène. Lorsque le niveau de liquide est correct 224, un flotteur 221 déclenche le fonctionnement d'une pompe 225 qui injecte le frigorigène liquide dans l'échangeur de chaleur 235 pour refroidir le fluide de la pompe à chaleur et boucler le cycle.  The ambient air, pulsed by a pump 251 inside a radiator 252, vaporizes and overheats the refrigerant. A pressure regulator 204 transfers the refrigerant to the inlet of a screw expander 210 connected to a mechanical transmission shaft 219. The expanded refrigerant escapes into an insulated low-pressure chamber constituted by the condenser constituting a low-pressure chamber 220 where the aerial part of the heat pump 230 liquefies the refrigerant. When the liquid level is correct 224, a float 221 triggers the operation of a pump 225 which injects the liquid refrigerant into the heat exchanger 235 to cool the heat pump fluid and complete the cycle.
La machine thermique de la figure 3 est constituée d'une chambre très haute pression 301 contenant dans sa partie supérieure un fluide frigorigène à l'état gazeux 302. Un régulateur de pression 204 commandé par un dispositif manuel ou par une commande numérique fait passer le gaz frigorigène dans un détendeur à vis 311 . A la sortie du détendeur à vis 311 le gaz partiellement détendu passe dans un détendeur 312. Une vis du détendeur 311 et une vis du détendeur 312 sont reliées mécaniquement à un arbre de transmission 319 pouvant être la source d'un mouvement mécanique directement utilisé par une hélice, une roue motrice ou par un système de transformation telles qu'une boîte de vitesse, un générateur électrique, des pompes diverses. The thermal machine of FIG. 3 consists of a very high pressure chamber 301 containing in its upper part a refrigerant in the gaseous state 302. A pressure regulator 204 controlled by a manual device or by a numerical control causes the refrigerant gas in a screw regulator 311. At the outlet of the screw expander 311, the partially expanded gas passes into an expander 312. A regulator screw 311 and a regulator screw 312 are mechanically connected to a transmission shaft 319 which can be the source of a mechanical movement directly used by a propeller, a driving wheel or by a conversion system such as a gearbox, an electric generator, various pumps.
La sortie 318 du détendeur à vis 312 s'ouvre dans une chambre basse pression calorifugée constituée par le condenseur constituant la chambre basse pression 220. Au fond de la chambre basse pression un contact 321 mu par un flotteur ouvre une vanne 327 lorsque le niveau 224 du frigorigène liquéfié dépasse une valeur plafond. Cette vanne 327 retient le gaz frigorigène sous pression venant par un tuyau 360 de la partie haute de la chambre très haute pression. Cette ouverture déclenche le fonctionnement d'un injecteur Giffard 225 pour introduire à travers un clapet anti-retour 326 le frigorigène dans la partie inférieure de la chambre très haute pression qui est placée dans une enceinte calorifugée 232. Le tuyau 323 qui relie la vanne 327 et l'injecteur Giffard 225 est calorifugé pour empêcher que le gaz frigorigène sous pression ne se condense au fond du tuyau 360. Une pompe hydro-pneumatique mue par le gaz frigorigène sous pression peut remplacer l'injecteur Giffard. The outlet 318 of the screw expander 312 opens into a low-pressure heat-insulated chamber constituted by the condenser constituting the low-pressure chamber 220. At the bottom of the low-pressure chamber, a contact 321 moved by a float opens a valve 327 when the level 224 liquefied refrigerant exceeds a ceiling value. This valve 327 holds the refrigerant gas under pressure from a pipe 360 of the upper part of the very high pressure chamber. This opening triggers the operation of a Giffard injector 225 to introduce through a check valve 326 the refrigerant in the lower part of the very high pressure chamber which is placed in a heat-insulated enclosure 232. The pipe 323 which connects the valve 327 and the Giffard injector 225 is insulated to prevent the refrigerant gas under pressure from condensing at the bottom of the pipe 360. A hydro-pneumatic pump driven by the refrigerant gas under pressure can replace the Giffard injector.
Une pompe à chaleur est imbriquée dans les deux chambres de la machine à vapeur. Dans la chambre basse pression de la machine à vapeur résident un ventilateur 337 et un radiateur réalisant un évaporateur 331 qui constitue la chambre très basse pression de la pompe à chaleur. Dans l'enceinte calorifugée 232 une paroi calorifugée supplémentaire 338 isole un surpresseur à gaz 334 et la partie la plus haute de l'échangeur de chaleur à contre courant de toutes les autres parties qui y résident et travaillent à plus basse température :  A heat pump is imbedded in both chambers of the steam engine. In the low pressure chamber of the steam engine resident a fan 337 and a radiator producing an evaporator 331 which is the very low pressure chamber of the heat pump. In insulated enclosure 232 an additional insulated wall 338 isolates a gas booster 334 and the uppermost part of the countercurrent heat exchanger from all other parts that reside there and work at a lower temperature:
- le couple entrée/sortie inférieur de l'échangeur de chaleur 235  the lower input / output torque of the heat exchanger 235
- une chambre 333 dimensionnée pour accepter tout le frigorigène à l'état gazeux en cas d'arrêt prolongé du moteur,  a chamber 333 sized to accept all the refrigerant in the gaseous state in the event of prolonged stopping of the engine,
- une valve qui s'ouvre lorsque la pression du liquide à la sortie de l'échangeur de chaleur 235 atteint une valeur de consigne, ou bien une constriction d'un dispositif régulateur de pression 336 qui limitent le débit de liquide de telle manière qu'il y ait une différence de pression. Tout ou partie de cette différence de pression peut résulter de la perte de charge liée au nombre des plaques de l'échangeur de chaleur 235. - Les tuyaux qui réunissent l'évaporateur 331 , la chambre très basse pression 333 et le surpresseur à gaz 334. a valve which opens when the pressure of the liquid at the outlet of the heat exchanger 235 reaches a set value, or else a constriction of a pressure regulator device 336 which limits the flow of liquid in such a way that there is a pressure difference. All or part of this pressure difference may result from the loss of load related to the number of plates of the heat exchanger 235. - The pipes that join the evaporator 331, the very low pressure chamber 333 and the gas booster 334.
Un autre tuyau calorifugé réunit le dispositif régulateur de pression 336 au radiateur constituant l'évaporateur 331 . Another insulated pipe joins the pressure regulator device 336 to the radiator constituting the evaporator 331.
La chambre haute pression de la pompe à chaleur est située entre le surpresseur à gaz 334 et la valve ou la striction du dispositif régulateur de pression 336 et elle comprend un des deux circuits de l'échangeur de chaleur à contre courant 235. L'autre circuit de l'échangeur de chaleur va de la valve anti-retour 326 à la sortie 340 d'où s'échappe le frigorigène de la machine à vapeur sous forme gazeuse et un peu de frigorigène liquide si le frigorigène n'a pas pu être totalement vaporisé. Ces fluides sont amenés dans la partie supérieure de la chambre très haute pression par un tuyau. A l'intérieur de la partie supérieure de la chambre très haute pression un radiateur 252 va vaporiser le frigorigène liquide restant et surchauffer le gaz obtenu à la température ambiante extérieure. Un fluide ambiant 350 est puisé par une pompe 351 à l'intérieur du radiateur 252, et le fluide refroidi est rejeté dans le milieu ambiant en 359. The high pressure chamber of the heat pump is located between the gas booster 334 and the valve or necking of the pressure regulating device 336 and includes one of the two circuits of the counterflow heat exchanger 235. The other circuit of the heat exchanger goes from the non-return valve 326 to the exit 340 from which escapes the refrigerant of the vapor machine in gaseous form and some liquid refrigerant if the refrigerant could not be totally vaporized. These fluids are brought into the upper part of the very high pressure chamber by a pipe. Inside the upper part of the very high pressure chamber a radiator 252 will vaporize the remaining liquid refrigerant and superheat the gas obtained at the ambient ambient temperature. An ambient fluid 350 is drawn by a pump 351 inside the radiator 252, and the cooled fluid is discharged into the environment at 359.
La pompe à chaleur refroidit le frigorigène de la machine à vapeur dans le condenseur constituant la chambre basse pression 220 pour achever la liquéfaction de ce frigorigène et le réchauffe dans l'échangeur de chaleur 235 pour dissiper les calories qu'elle a acquise de manière à être de nouveau en état de continuer sa mission au cycle suivant  The heat pump cools the refrigerant of the steam engine in the condenser constituting the low pressure chamber 220 to complete the liquefaction of this refrigerant and warms it in the heat exchanger 235 to dissipate the calories it has acquired so as to to be able to continue his mission in the next cycle
Pour démarrer le système, les enceintes calorifugées 232 et 220 sont amenées à basse température, et une pompe non représentée transfère le gaz frigorigène contenu dans la chambre basse pression constituée par le condenseur constituant la chambre basse pression 220 vers la chambre très haute pression 301 et éventuellement un démarreur électrique donne une impulsion sur l'arbre de transmission pour mettre en mouvement le ou les détendeurs à vis.  To start the system, the insulated enclosures 232 and 220 are brought to a low temperature, and a pump (not shown) transfers the refrigerant gas contained in the low pressure chamber constituted by the condenser constituting the low pressure chamber 220 to the very high pressure chamber 301 and optionally an electric starter gives a pulse on the drive shaft to move the screw regulator or regulators.
Le mode de réalisation de la figure 3 convient si les fuites entre les différents paliers des détendeurs à vis sont négligeables. Voyons maintenant le cas ou un lubrifiant est absolument nécessaire. Dans le mode de réalisation de la figure 4, la chambre très haute pression 401 de la machine à vapeur possède une alvéole 403 pour stocker le lubrifiant. Une valve 405 commandée par le remplissage d'un réservoir à la manière d'un carburateur libère le lubrifiant dans un venturi 406. Le jet de gaz frigorigène très haute pression libéré par le régulateur de pression 204 nébulise le lubrifiant. Le mélange gaz frigorigène et lubrifiant pénètre dans un premier détendeur à vis 311 ou le frigorigène se détend en communiquant de l'énergie mécanique à l'arbre de transmission 319. Le mélange gaz frigorigène et lubrifiant pénètre ensuite dans le second détendeur à vis 312 pour continuer la détente du gaz frigorigène et transmettre de l'énergie mécanique à l'arbre de transmission 319. Dans le cas ou la température de liquéfaction du frigorigène est plus basse que la température de fusion du lubrifiant comme par exemple avec l'isopentane pour le diazote, on arrête la détente lorsque la température du lubrifiant est encore légèrement supérieure à la température de fusion du lubrifiant. Le mélange gaz frigorigène lubrifiant passe dans un tube en U 444 calorifugé dans une enceinte 420. Le lubrifiant s'égoutte sur des grilles et s'accumule au fond du tube en U et le niveau du liquide 442 monte. Un contact 441 relié à un flotteur pilote le fonctionnement d'une pompe 445. Lorsque le niveau 442 est suffisant, la pompe 445 est mise en marche. Le lubrifiant est injecté à travers un clapet anti-retour 446 dans le réservoir de lubrifiant 403. La pompe 445 peut être remplacée par une pompe hydropneumatique. The embodiment of Figure 3 is suitable if the leaks between the different bearings of the screw regulators are negligible. Let's look at the case where a lubricant is absolutely necessary. In the embodiment of Figure 4, the very high pressure chamber 401 of the steam engine has a cell 403 for storing the lubricant. A valve 405 controlled by filling a tank in the manner of a carburetor releases the lubricant into a venturi 406. The Very high pressure refrigerant gas jet released by the pressure regulator 204 nebulizes the lubricant. The refrigerant gas and lubricant mixture enters a first screw expander 311 or the refrigerant expands by imparting mechanical energy to the transmission shaft 319. The refrigerant gas and lubricant mixture then enters the second screw expander 312 for continue the expansion of the refrigerant gas and transmit mechanical energy to the transmission shaft 319. In the case where the liquefaction temperature of the refrigerant is lower than the lubricant melting temperature such as with the isopentane for the When the lubricant temperature is still slightly above the melting temperature of the lubricant, the expansion is stopped. The lubricating refrigerant gas mixture passes into a heat-insulated 444 U-tube in an enclosure 420. The lubricant drips onto grids and accumulates at the bottom of the U-tube and the liquid level 442 rises. A contact 441 connected to a float pilot the operation of a pump 445. When the level 442 is sufficient, the pump 445 is turned on. The lubricant is injected through a check valve 446 into the lubricant reservoir 403. The pump 445 may be replaced by a hydropneumatic pump.
Le frigorigène gazeux s'échappe de la deuxième branche du tube en U, 444 et pénètre dans la zone supérieure la chambre basse pression où il y a un second tube en forme de U 449. Grâce à la pompe à chaleur la température de la chambre basse pression est beaucoup plus basse que la sortie du gaz détendu. Le second tube en U est également à cette température très basse ce qui congèle sur les grilles les rares gouttes de lubrifiant qui ont pu s'échapper du premier tube en U. Ce dispositif joue donc le rôle de piège à lubrifiant. Le frigorigène gazeux poursuit sa route dans la partie médiane de la chambre basse pression pour être liquéfié au contact du condenseur de la pompe à chaleur. Il n'y a pas de différence avec le mode de réalisation de la figure 3 jusqu'au retour du mélange frigorigène liquide, frigorigène gazeux dans la partie médiane de la chambre très haute pression 401 . Il est intéressant de contrôler la pression et la température à l'intérieur de la chambre très haute pression 401 . Un trop faible débit d'air ou de fluide caloriporteur dans le radiateur induira une baisse de pression et une diminution de la puissance disponible. Inversement en cas de canicule, ou si le fluide ambiant est réchauffé, la température et la pression vont monter. Si le lubrifiant est volatil, il pourrait se vaporiser et perturber le fonctionnement des détendeurs à vis. Pour cette raison la chambre très haute pression 401 est calorifugée et le pressostat 457 va réguler la pression et la température en commandant la pompe 351 de circulation de l'air ou du fluide caloriporteur ambiant. The gaseous refrigerant escapes from the second leg of the U-tube 444 and enters the upper zone of the low-pressure chamber where there is a second U-shaped tube 449. Thanks to the heat pump the temperature of the chamber Low pressure is much lower than the expanded gas outlet. The second U-tube is also at this very low temperature which freezes on the grids the few drops of lubricant that may have escaped the first tube U. This device thus acts as a lubricant trap. The gaseous refrigerant continues its route in the middle part of the low pressure chamber to be liquefied in contact with the condenser of the heat pump. There is no difference with the embodiment of Figure 3 until the return of the liquid refrigerant mixture, gaseous refrigerant in the middle part of the very high pressure chamber 401. It is interesting to control the pressure and the temperature inside the very high pressure chamber 401. Too little airflow or heat transfer fluid in the radiator will induce a drop in pressure and a decrease in available power. Conversely in case of heat wave, or if the ambient fluid is warmed, the temperature and the pressure will rise. If the lubricant is volatile, it could vaporize and disrupt the operation of the screw regulators. For this reason, the very high pressure chamber 401 is insulated and the pressure switch 457 will regulate the pressure and the temperature by controlling the pump 351 for circulating air or ambient heat transfer fluid.
La source chaude peut être n'importe quel environnement naturel, ou n'importe quelle source de chauffage privée ou industrielle dont la température est supérieure à la température d'ébullition du fluide cryogénique utilisé. La source chaude peut également être constituée par des faisceaux de lumière ou de rayonnements électromagnétiques concentrés par des réflecteurs.  The hot source can be any natural environment, or any private or industrial heating source whose temperature is higher than the boiling temperature of the cryogenic fluid used. The hot source may also consist of beams of light or electromagnetic radiation concentrated by reflectors.
La source froide est crée artificiellement au démarrage par pompage des calories grâce à une pompe à chaleur, ou à l'aide d'un fluide réfrigérant comme de l'azote liquide par exemple. Cette source froide est ensuite entretenue grâce à la pompe à chaleur en utilisant une partie de l'énergie fournie par la machine. Comme la pompe à chaleur est capable de pomper plus de calories qu'elle ne consomme d'énergie pour fonctionner, l'enthalpie perdue à liquéfier le frigorigène sera divisée par le coefficient d'efficacité énergétique (EER) de la pompe à chaleur.  The cold source is created artificially at startup by pumping calories through a heat pump, or using a refrigerant such as liquid nitrogen for example. This cold source is then maintained by the heat pump using part of the energy provided by the machine. As the heat pump is able to pump more calories than it consumes energy to operate, the enthalpy lost to liquefying the refrigerant will be divided by the energy efficiency ratio (EER) of the heat pump.
La somme de toutes les pertes énergétiques y compris l'énergie d'entretien de la pompe à chaleur doit être inférieure à l'énergie fournie par la machine thermique cryogénique pour que la dite machine fonctionne après la période de démarrage. Si l'enthalpie de liquéfaction du frigorigène est suffisamment faible, alors il est possible que le bilan énergétique soit favorable à la Machine Thermique Cryogénique. The sum of all the energy losses including the maintenance energy of the heat pump must be less than the energy supplied by the cryogenic thermal machine for the said machine to operate after the start-up period. If the enthalpy of liquefaction of the refrigerant is sufficiently low, then it is possible that the energy balance is favorable to the Cryogenic Thermal Machine.
Le Bilan énergétique = la puissance disponible - la consommation de la pompe à chaleur qui se résume à la consommation du surpresseur à gaz 334 - la consommation pour l'injection du frigorigène liquide - la consommation éventuelle pour l'injection du lubrifiant - la consommation pour les ventilations externes et internes.  The energy balance = the available power - the consumption of the heat pump which boils down to the consumption of the gas booster 334 - the consumption for the injection of the liquid refrigerant - the possible consumption for the injection of the lubricant - the consumption for external and internal breakdowns.
Si le bilan est positif, la machine fournit de l'énergie tant que la source de chaleur lui fournit des calories.  If the balance is positive, the machine provides energy as long as the heat source provides calories.
Si le bilan est négatif, la machine s'arrête très rapidement après l'arrêt du système de démarrage, même si des calories sont disponibles dans la source chaude. Nous sommes capables maintenant de simuler les comportements de frigorigènes dans une machine thermique selon l'invention, de les comparer entre eux, si les conditions peuvent être semblables, ou d'en discuter les avantages et les inconvénients. If the balance is negative, the machine stops very quickly after stopping the starting system, even if there are calories available in the hot source. We are now able to simulate refrigerant behavior in a thermal machine according to the invention, to compare them, if the conditions may be similar, or to discuss the advantages and disadvantages.
Le lubrifiant proposé ici est l'iso pentane, parce qu'il est liquide sur une large échelle : +28 °C à -160° C. Pour le di-azote ce lubifiiant ne couvre pas l'échelle - 160 à -196° C. Il couvre largement l'utilisation du tétrafluorocarbone (R14), mais ne lui est pas miscible. Pour ces deux raisons, si la présence d'un lubrifiant s'avère incontournable, il faut modifier la Machine Thermique Cryogénique pour prévoir une distribution du lubrifiant et un piège à lubrifiant. Egalement pour fixer les idées, nous supposons ici que le premier détendeur à vis de la série des détendeurs à vis nécessaires serait capable en mode reverse de comprimer 1700 litres d'air par minute. Enfin la température ambiante est de 28 °C et la pression de départ est de 30 bars.  The lubricant proposed here is iso pentane, because it is liquid on a large scale: +28 ° C to -160 ° C. For the di-nitrogen this lubricant does not cover the scale - 160 to -196 ° C. It largely covers the use of tetrafluorocarbon (R14) but is not miscible to it. For these two reasons, if the presence of a lubricant proves unavoidable, it is necessary to modify the Cryogenic Thermal Machine to provide a distribution of the lubricant and a lubricant trap. Also to fix the ideas, we suppose here that the first regulator with screw of the series of the regulators with screw necessary would be able in reverse mode to compress 1700 liters of air per minute. Finally the ambient temperature is 28 ° C and the starting pressure is 30 bar.
Figure imgf000019_0001
Figure imgf000019_0001
Le R14 est le tétrafluorométhane (CF4), le R23 est le trifluorométhane (CHF3).Nous voyons que le diazote et le R14 peuvent être sélectionnés comme frigorigènes pour la machine thermique de l'invention. Par contre le R23 qui ne diffère du R14 que par un atome ne peut être sélectionné. R14 is tetrafluoromethane (CF4), R23 is trifluoromethane (CHF3). We see that dinitrogen and R14 can be selected as refrigerants for the thermal machine of the invention. On the other hand, the R23 which differs from the R14 only by an atom can not be selected.
Comme la machine est constituée de deux systèmes réfrigérants, tous les éléments requis par les hommes de l'art et par la législation devront être présents. Sans être exhaustive la liste de ces éléments doit prévoir : Since the machine consists of two refrigeration systems, all elements required by those skilled in the art and by legislation must be present. Without being exhaustive the list of these elements must provide:
- des valves pour faire le vide et remplir de frigorigène la machine à vapeur et la pompe à chaleur ;  valves for evacuating and filling the steam engine and the heat pump with refrigerant;
- des chambres basse pression, ou des réservoirs de maintenance suffisamment grands pour accepter tout le frigorigène sous pression en cas de canicule ;  - low pressure chambers, or maintenance tanks large enough to accept all the refrigerant under pressure in case of heat wave;
- des valves de sécurité ;  - safety valves;
Pour démarrer le système il est aussi nécessaire de disposer d'une mise à basse température des chambres, d'une pompe pour transférer le frigorigène de la chambre basse pression de la machine à vapeur vers la chambre très haute pression de la machine à vapeur et éventuellement d'un démarreur électrique comme sur les moteurs thermiques conventionnels.  To start the system it is also necessary to have a low temperature setting of the chambers, a pump to transfer the refrigerant from the low pressure chamber of the steam engine to the very high pressure chamber of the steam engine and possibly an electric starter as on conventional heat engines.
Un Moteur Cryogénique à injection (MCAI) basé sur la machine thermique cryogénique de la présente invention peut servir en utilisant directement la force mécanique pour propulser des véhicules marins, aquatiques, sous-marins, subaquatiques, terrestres ou souterrains en refroidissant le milieu de propulsion. A Cryogenic Injection Engine (MCAI) based on the cryogenic thermal machine of the present invention can be used by directly using the mechanical force to propel marine, aquatic, submarine, underwater, ground or underground vehicles by cooling the propulsion medium.
Couplé à un générateur électrique le MCAI fournit de l'électricité dans des situations où l'apport de carburant est difficile ou coûteux, à partir de sources naturelles de chaleur telles que l'atmosphère ambiante, le soleil, la géothermie, les puits dits provençaux ou canadiens, l'eau des océans, des mers, des fleuves, des rivières ou des lacs, les geysers. Coupled with an electric generator the MCAI provides electricity in situations where the supply of fuel is difficult or expensive, from natural sources of heat such as the ambient atmosphere, the sun, geothermal energy, so-called Provencal wells or Canadian, the water of oceans, seas, rivers, rivers or lakes, geysers.
Le MCAI permet de transformer en électricité ou en énergie mécanique la chaleur dissipée dans toutes les machines servant à comprimer des gaz pour des machines pneumatiques ou des machines à liquéfier des gaz.  MCAI is used to convert the heat dissipated in all machines used to compress gases for pneumatic machines or gas-liquefying machines into electricity or mechanical energy.
En milieu industriel le MCAI permet de piéger des aérosols ou des vapeurs polluantes en fournissant de l'énergie mécanique ou électrique.  In an industrial environment, MCAI can trap aerosols or polluting vapors by supplying mechanical or electrical energy.
Le MCAI peut servir à refroidir des engins ou des locaux en fournissant de l'énergie mécanique ou électrique, cela concerne la climatisation, la réfrigération, la congélation, les patinoires à glace. The MCAI can be used to cool machinery or premises by providing mechanical or electrical energy, this concerns air conditioning, refrigeration, freezing, ice rinks.
Le MCAI couplé avec une pompe à chaleur peut servir à chauffer des habitats. Le MCAI est particulièrement utile en cas de canicule ou d'environnement hostile comme par exemple les zones désertiques ou les mines profondes.  MCAI coupled with a heat pump can be used to heat habitats. MCAI is particularly useful in case of heat wave or hostile environment such as desert areas or deep mines.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Machine thermique cryogénique comportant une pompe à chaleur et une machine à vapeur à fluide cryogénique reliées au travers d'un premier échangeur de chaleur (235) relié à une chambre très haute pression (301 ) de la machine à vapeur par une sortie (340), ledit premier échangeur renfermant un élément de chambre haute pression de la pompe à chaleur, caractérisée en ce que la pompe à chaleur comporte un évaporateur (331 ) constituant une chambre très basse pression, un condenseur constituant ladite chambre haute pression, un surpresseur à gaz (334) calorifugé et un dispositif régulateur de pression (336), la machine à vapeur comportant un condenseur calorifugé constituant une chambre basse pression (220) de la machine à vapeur. 1 - cryogenic thermal machine comprising a heat pump and a cryogenic fluid steam machine connected through a first heat exchanger (235) connected to a very high pressure chamber (301) of the steam engine via an outlet ( 340), said first exchanger enclosing a high pressure chamber element of the heat pump, characterized in that the heat pump comprises an evaporator (331) constituting a very low pressure chamber, a condenser constituting said high pressure chamber, a booster insulated gas valve (334) and a pressure regulating device (336), the steam engine having an insulated condenser constituting a low pressure chamber (220) of the steam engine.
2 - Machine thermique cryogénique selon la revendication 1 pour laquelle le premier échangeur de chaleur est constitué d'un évaporateur calorifugé (235).  2 - cryogenic thermal machine according to claim 1 wherein the first heat exchanger consists of a heat-insulated evaporator (235).
3 - Machine thermique cryogénique selon la revendication 1 ou 2 pour laquelle la chambre très haute pression comporte un radiateur (252) surchauffeur du fluide cryogénique.  3 - cryogenic thermal machine according to claim 1 or 2 for which the very high pressure chamber comprises a radiator (252) superheater cryogenic fluid.
4 - Machine thermique cryogénique selon la revendication 1 , 2 ou 3 comportant un régulateur de pression ajustable (204), un détendeur à vis ou plusieurs détendeurs à vis reliés en série (311 , 312) et un injecteur (225) de fluide cryogénique liquide entre la chambre basse pression (220) et la chambre très haute pression (301 ).  4 - cryogenic thermal machine according to claim 1, 2 or 3 comprising an adjustable pressure regulator (204), a screw pressure regulator or several screw regulators connected in series (311, 312) and an injector (225) of liquid cryogenic fluid between the low pressure chamber (220) and the very high pressure chamber (301).
5 - Machine thermique cryogénique selon la revendication 4 comportant plusieurs détendeurs à vis (311 , 312) et une liaison mécanique entre au moins une des vis de chaque détendeur à vis et un arbre de transmission mécanique (319).  5 - cryogenic thermal machine according to claim 4 comprising a plurality of screw expander (311, 312) and a mechanical connection between at least one of the screws of each screw expander and a mechanical propeller shaft (319).
6 - Machine thermique cryogénique selon l'une quelconque des revendications précédentes pour laquelle l'évaporateur (331 ) de la pompe à chaleur constitue un second échangeur de chaleur entre la chambre basse pression (220) de la machine à vapeur et la chambre très basse pression de la pompe à chaleur.  6 - Cryogenic thermal machine according to any one of the preceding claims wherein the evaporator (331) of the heat pump constitutes a second heat exchanger between the low pressure chamber (220) of the steam engine and the very low chamber pressure of the heat pump.
7 - Machine thermique cryogénique selon l'une quelconque des revendications précédentes pour laquelle le couple « condenseur constituant la chambre basse pression (220) de la machine à vapeur - évaporateur de la pompe à chaleur (331 )» est défini pour avoir des pressions de travail choisies de telle sorte que la température de liquéfaction du frigorigène de la machine à vapeur soit supérieure à la température d'ébullition du frigorigène de la pompe à chaleur, et qu'en sortant du premier échangeur de chaleur (235) de type à contre courant, le frigorigène liquide de la pompe à chaleur soit à la température la plus basse possible. 7 - Cryogenic thermal machine according to any one of the preceding claims for which the couple "condenser constituting the low pressure chamber (220) of the steam engine - evaporator of the heat pump (331) "is defined to have selected working pressures so that the liquefaction temperature of the refrigerant of the steam engine is greater than the the boiling point of the refrigerant of the heat pump, and that when leaving the first heat exchanger (235) type against the current, the liquid refrigerant of the heat pump is at the lowest possible temperature.
8 - Machine thermique cryogénique selon l'une quelconque des revendications précédentes comportant un ventilateur (337) présent dans la chambre basse pression (220) et adapté à brasser le fluide cryogénique gazeux contre l'évaporateur (331 ) de la pompe à chaleur.  8 - Cryogenic thermal machine according to any one of the preceding claims comprising a fan (337) present in the low pressure chamber (220) and adapted to stir the cryogenic gas fluid against the evaporator (331) of the heat pump.
9 - Machine thermique cryogénique selon l'une quelconque des revendications précédentes dont la chambre très haute pression (401 ) de la machine à vapeur est calorifugée et comporte un échangeur de chaleur régulé (457, 351 ) pour contrôler l'afflux des calories provenant d'une source chaude (350) alimentant le radiateur (252) de ladite chambre très haute pression.  9 - Cryogenic thermal machine according to any one of the preceding claims, the very high pressure chamber (401) of the steam engine is insulated and includes a regulated heat exchanger (457, 351) to control the influx of calories from a hot source (350) supplying the radiator (252) of said very high pressure chamber.
10 - Machine thermique cryogénique selon l'une quelconque des revendications précédentes pour laquelle la machine à vapeur comporte un système de démarrage muni d'un dispositif de mise en basse température de zones calorifugées (220, 232, 301 , 338, 401 ) de la machine, une pompe à gaz de transfert du ou des fluides cryogéniques gazeux de la chambre basse pression (220) à la chambre très haute pression (301 , 401 ) jusqu'à atteindre une pression de service stabilisée.  10 - cryogenic thermal machine according to any one of the preceding claims for which the steam engine comprises a starting system provided with a device for setting low temperature insulated areas (220, 232, 301, 338, 401) of the machine, a gas pump for transferring the gaseous cryogenic fluid (s) from the low pressure chamber (220) to the very high pressure chamber (301, 401) until a stabilized operating pressure is reached.
11 - Machine thermique cryogénique selon l'une quelconque des revendications précédentes pour laquelle la machine à vapeur comporte un démarreur électrique.  11 - Cryogenic thermal machine according to any one of the preceding claims wherein the steam engine comprises an electric starter.
12 - Procédé de mise en oeuvre d'une machine thermique cryogénique selon l'une quelconque des revendications précédentes pour lequel on choisit des pressions de travail dans les différentes chambres de telle sorte que pour le couple « condenseur calorifugé constituant la chambre basse pression (220) de la machine à vapeur - évaporateur de la pompe à chaleur (331 )» la température de liquéfaction du frigorigène de la machine à vapeur est supérieure à la température d'ébullition du frigorigène de la pompe à chaleur. 12 - Process for implementing a cryogenic thermal machine according to any one of the preceding claims for which operating pressures are chosen in the different chambers such that for the couple "heat-insulated condenser constituting the low-pressure chamber (220 ) of the steam engine - evaporator of the heat pump (331) »the liquefaction temperature of the refrigerant of the steam engine is higher than the temperature boiling of the refrigerant from the heat pump.
13 - Procédé de mise en oeuvre d'une machine thermique cryogénique selon la revendication 12 comportant un cycle thermodynamique suivant les six phases suivantes :  13 - Process for implementing a cryogenic thermal machine according to claim 12 comprising a thermodynamic cycle according to the following six phases:
- Injection d'un fluide cryogénique liquide à haute pression ;  - Injection of a high pressure liquid cryogenic fluid;
- Vaporisation du fluide cryogénique liquide par la pompe à chaleur ;  - Vaporization of the liquid cryogenic fluid by the heat pump;
- Surchauffe du fluide cryogénique gazeux à la pression d'utilisation ;  - Overheating of the cryogenic gas fluid at the operating pressure;
- Détente produisant un travail et un abaissement de température ;  - Relaxation producing work and lowering temperature;
- Echappement en cycle fermé dans la chambre basse pression ;  - Exhaust in closed cycle in the low pressure chamber;
- Liquéfaction du fluide cryogénique gazeux par la pompe à chaleur.  - Liquefaction of the cryogenic gas fluid by the heat pump.
14 - Procédé de mise en oeuvre d'une machine thermique cryogénique selon la revendication 13 pour lequel la machine comportant des détendeurs à vis, on introduit un fluide cryogénique gazeux à très haute pression à l'entrée de détendeurs à vis (311 , 312) simultanément à un lubrifiant (403) à la même pression que le fluide cryogénique gazeux à très haute pression.  14 - Process for implementing a cryogenic thermal machine according to claim 13 for which the machine comprises screw pressure regulators, a very high pressure cryogenic gas is introduced at the inlet of screw pressure regulators (311, 312) simultaneously with a lubricant (403) at the same pressure as the gaseous cryogenic fluid at very high pressure.
15 - Procédé de mise en oeuvre d'une machine thermique cryogénique selon la revendication 14 pour lequel le lubrifiant est recyclé (444, 446) vers un lieu de stockage avant la liquéfaction du fluide cryogénique gazeux.  15 - Process for implementing a cryogenic thermal machine according to claim 14 wherein the lubricant is recycled (444, 446) to a storage location before the liquefaction of the cryogenic gas fluid.
PCT/EP2014/056293 2013-03-29 2014-03-28 Cryogenic heat engine WO2014154869A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1352863 2013-03-29
FR1352863A FR3003897A1 (en) 2013-03-29 2013-03-29 CRYOGENIC THERMAL MACHINE

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014154869A1 true WO2014154869A1 (en) 2014-10-02

Family

ID=49231588

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2014/056293 WO2014154869A1 (en) 2013-03-29 2014-03-28 Cryogenic heat engine

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR3003897A1 (en)
WO (1) WO2014154869A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019205486A1 (en) * 2018-04-28 2019-10-31 Cao Lianguo Novel steam engine based on reverse application of air conditioning principle

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
MD4409C1 (en) * 2015-04-10 2016-10-31 Ион ЧЕРЕМПЕЙ Cryogenic gas-turbine plant with closed circuit

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3402955A1 (en) * 1984-01-28 1984-11-08 Genswein, geb.Schmitt, Annemarie, 5160 Düren Steam engine cycle with feedback of the waste heat by means of a multistage heat pump process, in particular for steam power stations (superheated and cold steam)
DE19907512A1 (en) * 1999-02-22 2000-08-31 Frank Eckert Apparatus for Organic Rankine Cycle (ORC) process has a fluid regenerator in each stage to achieve a greater temperature differential between the cascade inlet and outlet
DE10052414A1 (en) * 2000-10-23 2002-05-08 Frank Eckert Operating energy converter involves reducing working fluid flow through regenerator by branching on condenser output side, feeding thermal energy is separately to branched sub-flow
WO2006028444A1 (en) * 2004-09-02 2006-03-16 Terran Technologies, Inc. Low temperature heat engine
WO2008121070A1 (en) * 2007-04-02 2008-10-09 Svenska Rotor Maskiner Ab Screw-rotor machine, energy-conversion system and method for energy conversion
US20100071368A1 (en) * 2007-04-17 2010-03-25 Ormat Technologies, Inc. Multi-level organic rankine cycle power system
US20130074499A1 (en) * 2011-09-22 2013-03-28 Harris Corporation Hybrid thermal cycle with imbedded refrigeration

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3402955A1 (en) * 1984-01-28 1984-11-08 Genswein, geb.Schmitt, Annemarie, 5160 Düren Steam engine cycle with feedback of the waste heat by means of a multistage heat pump process, in particular for steam power stations (superheated and cold steam)
DE19907512A1 (en) * 1999-02-22 2000-08-31 Frank Eckert Apparatus for Organic Rankine Cycle (ORC) process has a fluid regenerator in each stage to achieve a greater temperature differential between the cascade inlet and outlet
DE10052414A1 (en) * 2000-10-23 2002-05-08 Frank Eckert Operating energy converter involves reducing working fluid flow through regenerator by branching on condenser output side, feeding thermal energy is separately to branched sub-flow
WO2006028444A1 (en) * 2004-09-02 2006-03-16 Terran Technologies, Inc. Low temperature heat engine
WO2008121070A1 (en) * 2007-04-02 2008-10-09 Svenska Rotor Maskiner Ab Screw-rotor machine, energy-conversion system and method for energy conversion
US20100071368A1 (en) * 2007-04-17 2010-03-25 Ormat Technologies, Inc. Multi-level organic rankine cycle power system
US20130074499A1 (en) * 2011-09-22 2013-03-28 Harris Corporation Hybrid thermal cycle with imbedded refrigeration

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019205486A1 (en) * 2018-04-28 2019-10-31 Cao Lianguo Novel steam engine based on reverse application of air conditioning principle

Also Published As

Publication number Publication date
FR3003897A1 (en) 2014-10-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20230203966A1 (en) Use of external air for closed cycle inventory control
US6606860B2 (en) Energy conversion method and system with enhanced heat engine
US8707701B2 (en) Ultra-high-efficiency engines and corresponding thermodynamic system
EP3283734B1 (en) System and method for compressed air energy storage and recovery with constant volume heating
US20070163261A1 (en) Dual thermodynamic cycle cryogenically fueled systems
US6827104B2 (en) Seal and valve systems and methods for use in expanders and compressors of energy conversion systems
WO2005103453A1 (en) System for recovering heat energy from a heat engine vehicle
FR3016025A1 (en) COMBINATION OF A COMPRESSED AIR ENERGY STORAGE UNIT AND A THERMAL POWER PLANT
EP2764243B1 (en) Method and improved system for converting marine heat energy
CN113454313A (en) Energy storage device and method
JP2016180322A (en) Heat recovery type power generation system
WO2010048100A2 (en) Ultra-high-efficiency engines and corresponding thermodynamic system
US8640465B2 (en) Combined heat, ice, power, and steam system
WO2014154869A1 (en) Cryogenic heat engine
US6691514B2 (en) Method and apparatus for generating power
WO2014020277A1 (en) Device for storing and restoring electrical energy and method for storing and restoring electrical energy using such a device
EP3724471A1 (en) Improved system for storing and harvesting energy
JP2005171861A (en) Rankine cycle power generation system
EP3438422A1 (en) Device for regulating the fluid load circulating in a system based on a rankine cycle
RU61797U1 (en) ENERGY GAS TURBINE INSTALLATION OF COMBINED CYCLE
EP0014630A1 (en) Thermodynamic engine and its use as a motor or as a refrigerating machine
FR3138938A1 (en) LOW TEMPERATURE THERMAL MACHINE USING A SUPERCRITICAL CO2 (S-CO2) POWER CYCLE
FR2981144A1 (en) TURBO HEAT PUMP.
FR2964693A1 (en) INSTALLATION OF ENERGY RESTITUTION
WO2002103266A2 (en) Cryogen production and thermoelectric solid-state electric power generation

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14715873

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14715873

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1