Brevet FR2256380A1 — publié le 19750725

La pressente invention a pour but d'ameliorer le dispositif de chauffage connu sous le nom de chauffage thermodynamique ou pompe de chaleur. Le principe de ce chauffage est connu depuis longtemps et a fait l'objet de nombreuses applications et on en rappellera ci-après le principe. Lorsqu'un fluide frigorigène est soumis à un cyele classique de compression et de détente, il est capable, au moment où il est le plus froid, de pomper les calories d'un milieu à la tempdrature absolue Ti et de les restituer ensuite au milieu à chauffer à la température absolue 2, supérieure à TI. 'énergie totale utilisée pour le chauffage est la somme de l'énergie calorifique Q1 empruntée au premier milieu et de l'énergie W fournie par le compresseur. I1 est très connu que la pompe de chaleur fonctionne comme un multiplicateur d'énergie puisque la quantité de chaleur finalement reçue par le milieu à chauffer est Q2 = W z 2/ (T2-T), V étant exprimée en unités de chaleur. Ainsi le coefficient de multiplication dépend dans une large mesure de la différence entre les deux températures eztres, T2 et TI, atteintes par le fluide frigorigène au cours de son cycle et il est clair que ce coefficient est très grand si les températures T2 et TI sont voisines, c'est-à-dire malheureusement dans le cas où l'on a peu besoin de chauffer, la présente invention a pour but de pallier cette difficulté en augmentant le rendement de l'équipement fonctionnant entre les températures T2 et T1.Cela peut sembler à priori impossible et contraire aux théorèmes de Carnot et c' est ce qui explique probablement que le perfectionnement proposé n'ait pas été inventé plus t8t. Pour tourner le théorème de Carnot qui exprime le rendement maximal indiqué ci-dessus pour un cycle parcouru entre les températures T2 et T1, 11 invention propose de disposer un groupe d'échangeurs de température à la place de l'échangeur chaud et un autre groupe d'échangeurs à la place de 11 échangeur froid, Ces échangeurs élémentaires de chaque groupe peuvent etre parcourus en série par les milieux émetteurs ou absorbeurs de calories de telle façon que la température de ces milieux varie progressivement et ils sont répartis sur des cycles séparés qui comprennent chacun un échangeur de chaque groupe, les deux échangeurs associés correspon dant alors à des températures dont l'écart peut titre réduit. Dans une variante de l'invention, on peut disposer les échangeurs de l'un des deux groupes, par exemple les échangeurs froids, en parallèle sur le parcours du fluide qui est en échange thermique avec le fluide soumis au cycle de compression et de détente0 Ainsi chaque groupe d'échangeurs, qu'on peut appeler un échangeur composte, est constitué d'échangeurs élémentaires séparés susceptibles de fonctionner chacun de façon séparée En d'autres termes, l'utilisation d'échangeurs composites à n échangeurs élémentaires chacun se fera avec n circuits comprenant chacun un compresseur, un détendeur, un échangeur élémentaire froid et un échangeur élémentaire chaud. Le calcul et l'expérience montrent qu'on peut facilement accroStre ainsi le rendement global de l'installation0 Si le nombre d'échangeurs et de circuits élémentaires était très grand, on pourrait attendre un coefficient global de multiplication d'énergie égal au double du coefficient atteint avec un seul échangeur pour chacune des deux températures extremes. Pour bien faire comprendre linventions on en décrira ei-après un exemple d'application en référence au dessin schématique annexez dont la figure unique montre le principe d' une installation dont chaque échangeur composite est constitué par deux échangeurs élémentaires appartenant à deux circuits différents de fluide frigorigène. Dans l'exemple représenté qui nla évidemment aucun caractère limitatif, un premier ventilateur 1 envoie de l'air à travers un premier échangeur élémentaire chaud 2 associé avec un échangeur froid 3 sur un circuit 4 parcouru par un fluide frigorigène qui est comprimé par un compresseur 5 pour son envoi à travers l'échangeur 2 tandis qu'il est ensuite refroidi par passage à travers un détendeur 6 avant de prélever des calories à l'échangeur 3. L'air qui s'est réchauffé partiellement en traversant 1' échan- geur élémentaire 2 est ensuite envoyé à travers un second échangeur chaud élémentaire 12 à une température supérieur. à celle de l'échangeur 2 et suffisante pour permettre à l'air de chauffer le milieu désiré. Cet échangeur 12 est couplé à son tour avec un échangeur froid 13 sur un circuit 14 parcouru par un fluide frigorigène qui est comprimé par un eompresseur 15 pour son envoi à travers échangeur 12 tandis qu'il est ensuite refroidi par passage à travers un détendeur 16 avant de prélever des calories à hangeur 13. On comprend que les échangeurs 2-12 peuvent constituer des con denseurs pour le fluide frigorigène tandis que les échangeurs 3-13 constituent des évaporateurs.Les échangeurs froids 9 et 13 peuvent être traversés par de l'air usé envoyé par un ventilateur 11 et ils pompent des calories de cet air usé qui est refroidi avant son évacuation0 En choisissant une seule température intereédiaire sensible- ment égale à la moyenne des températures extrêmes des fluides émetteurs et absorbeurs de calories, on trouve une efficacité augmen- tée dans certains cas de 30 %. On peut également, dans ce cas particulier d'une seule température intermédiaire moyenne, supprimer le compresseur correspondant au circuit à température moyenne et remplacer les échangeurs 2 et 3 par un seul échangeur où 1 entrant se réchauffera au contact de l'air sortant. On réalisera ainsi une autre variante de l'invention et le gain de rendement approchera 2 puisçaton n'a plus besoin d'énergie pour un compresseur intermédiaire 5. En pratique, pour des installations simples, il suffit en général de choisir des échangeurs à deux ou trois circuits élémen- taires mais, pour des installations plus complexes, on pourra augmenter dune façon plus importante le nombre des circuits élément aires. On comprend que les fluides frigorigènes pourraient ttre adaptés aux performances qu'on leur demande dans les différents circuits et ne pas être constitués par des corps chimiques identi quels. On comprend également que les fluides émetteurs et absorbeurs de calories pourraient être différents de ceux indiqués précédemment et etre gazeux ou liquides. L'invention permet par exemple d'obtenir à bon compte le chauffage de l'eau dfun immeuble. Elle permet dans un ante exemple de chauffer l'eau de mer à des prix très économiques, soit pour permettre les bains le long des plages, soit pour disposer d'un réservoir de chaleur pouvant éventuellement être utilisé à nouveau pour produire de l'énergie. L'installation poùrra comprendre des moyens pour asservir les compresseurs ou les vannes des circuits de fluides en échange thermique de façon que les températures des éléments d'échangeurs soient échelonnées selon une loi pré-établie en fonction des températures d'entrée et de sortie. R E V E N D I C A I O N S. 1. Procédé pour le chauffage thermodynamique selon le principe de la pompe de chaleur, consistant à constituer l'échangeur chaud et l'échangeur froid chacun par un groupe de plusienrs échangeurs éléientaires, chaque élément étant susceptible d'8tre stabilisé à une température et â une pression déterminées, choisies pour augmenter l'efficacité thermodynamique en diminuant l'écart de température entre certains des échangeurs froids et des échangeurs chauds qui leur sont associés. 2. Echangeur de chaleur composite pour l'application du procédé selon la revendication 1, constitué de plusieurs éléments échangeurs distincts léchés chacun par une fraction différente du fluide à réchauffer oa à refroidir. 3. Echangeur de chaleur composite pour l'application du procédé selon la revendication 1, dans lequel un on plusieurs échangeurs élémentaires sont remplacés par des échangeurs sans circulation de fluide frigoriène, le fluide à réchauffer et le fluide à refroidir échangeant; leur chaleur à travers les parois de l'échangeur. 4. Dispositif pour l'applieation da procédé selon la revendication 1, comprenant des moyens pour asservir les eompresseurs ou les vannes des circuits des fluides en échange thermique de façon que les températures des éléments d'échangeurs soient échelonnées selon une loi pré-établie en fonction des tempé- ratures d'entrée et de sortie.