Brevet FR2274880A1 — publié le 19760109

L'invention concerne un dispositif de production de chaleur et de froid, et elle concerne plus particulièrement une installation de conditionnement d'air pour des bâtiments. Il a déjà été proposé d'utiliser des pompes de chaleur pour chauffer et refroidir des locaux, mais ces essais n'ont pas été couronnés de succès, ceci étant dû en partie aux difficultés de réalisation d'un tel appareillage qui spit en même temps bon marché et d'un fonctionnement et d'un rendement sûrs. Le cycle thermique de la compression de la vapeur est bieh connu et le cycle de base de la pompe de chaleur peut se décrire comme suit On comprime tout d'abord un gaz convenant à cette fin et ce gaz est ensuite condensé en un liquide comprime'1 ce après quoi on fait passer le liquide par un étranglement pour le vaporiser. Le gaz ainsi obtenu est comprimé et l'on répète le cycle. Le processus est mis en oeuvre de façon telle que la chaleur latente de vaporisation du gaz, qui se trouve être un réfrigérant, ou bien absorbe de la chaleur dans le bâtiment (cycle de refroidissement), ou bien dissipe de la thaleur dans le bâtiment (cycle de chauffage). -Le problème qui se présente avec ces appareillages destinés à passer d'un cycle de refroidissement à un cycle de chauffage est que la quantité de réfrigérant nécessaire est différente pour ces deux cycles. Pour surmonter ce problème, on a suggéré différents mécanismes de réglage, mais, en dépit d'une construction compliquée, ces mécanismes n'ont pas réussi à résoudre de façon satisfaisante ce problème. Un autre problème surgit en hiver à cause du givre qui s'accumule sur le serpentin à l'extérieur. Pour obtenir un fonctionnement satisfaisant de l'appareillage, il faut le dégivrer à intervalles raisonnables.Un autre problème est encore la difficulté de localiser le serpentin extérieur de façon à ce que l'eau obtenue dans le cycle de dégivrage puisse atteindre le côté chaud de l'appareillage et que l'air déjà réchauffé mais usé qui provient de la ventilation des locaux puisse être utilisé de la meilleure façon possible. Le but de l'invention est de résoudre ces problèmes en créant une installation qui soit simple à construire et économique à faire fonctionner. A cet effet l'invention concerne un dispositif de production de chaleur et de froid au moyen d'un fluide circulant en circuit ferme', de préférence pour une installation de conditionnement d'air pour les bâtiments comprenant des moyens de compression, des moyens d'échange de chaleur situés à l'extérieur, des moyens échange de chaleur situés à l'intérieur et des moyens d'étranglement, cacractérisé en ce qu'un compresseur est relié par une vanne et des conduites à un échangeur de chaleur situé à l'extérieur, à des moyens d'étranglement et à échangeur de chaleur situé à l'intérieur d' une façon telle que le fluide comprimé par le compresseur dans une première position de la vanne peut passer dans différents états à travers les différents composants de l'installation dans l'ordre mentionné ci-dessus (cycle de refroidissement) tandis que, dans une seconde position de la vanne, le fluide passera dans différents états tout d'abord à travers l'échangeur intérieur et ensuite dans les moyens d'étranglement dans un sens opposé au sens pris avec la première position de la vanne et ensuite dans ltéchangeur de chaleur extérieur (cycle de chauffage), et en ce qu'un piquage conduisant à la partie inférieure d'un réservoir est pris sur la conduite entre l'échange geur intérieur et les moyens d'étranglement. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description ci-après et des dessins annexés dans lesquels - La figure 1 représente schéma tiquement les composants essentiels de l'appareillage utilisés pendant le cycle de refroidissement, - La figure 2 représente aussi schématiquement les composants essentiels de l'appareillage utilisés pendant le cycle de rôchauffement, - La figure 3 est une vue en coupe à travers une installation de conditionnement d'un bâtiment, et - La figure 4 est une représentation schématique du controle automatique du fonctionnement de - installation. Sur la figure 1, le compresseur 1 comporte une conduite d'entrée 2 et une conduite de sortie i Ces conduites conduisent à une vanne à quatre voies 4 de type classique. De cette vanne à quatre voies 4, une première conduite 5 v vers un élément extérieur 6 comprenant des tuyaux en serpentin et est, dans ce qui suit, appelé serpentin. La seconde conduite 7 conduit à un élément semblable ou serpentin 8 situé à l'intérieur. De ce serpentin 8, une conduite 9 conduit à des moyens d'étranglement 10 et, de ces moyens 10, une conduite Il conduit au serpentin extérieur 6. Entre le serpentin 8 et les moyens d'étranglement 10 se trouve sur la conduite 9 un piquage 12 conduisant à la partie inférieure d'un réservoir 13 qui est complètement fermé à l'exception de sa communication avec le piquage 12.L'appareillage comprend aussi une soufflerie supérieure 14, une soufflerie inférieure 15 et des éléments chauffants électriques 16. En se référant à la figure 1, le cycle de refroidissement de l'appareillage s'explique comme suit Une certaine quantité de réfrigérant circule dans l'appareillage et prend différents états en fonction de la température et de la pression. Le refrigérant est à l' état gazeux lorsqu'il atteint le compresseur, la vanne à quatre voies 4 ayant la position représentée sur la figure 1. Le compresseur comprime le gaz et, en conséquence, il y a élévation de la pression et de la température de celui-ci. A cause de l'augmentation de la pression, il y a aussi augmentation du point d'ébullition du liquide. Le gaz comprimé est donc amené par les conduites 3 et 5 au serpentin extérieur 6, dans lequel le gaz est condensé en liquide comprimé.Ce liquide est, au moyen de la conduite 11, amené aux moyens d'étranglement 10 qui comprennent un ou plusieurs tubes étroits. Pendant ltétranglement qui a alors lieu, le point d'ébullition du liquide est abaissé, ce qui signifie qu'il se produit une vaporisation dans le serpentin 8. La chaleur nécessaire à la vaporisation est prélevée dans l'air de l'intérieur du local qui entoure ce serpentin. Du serpentin 8, le gaz est amené par la conduite 7, la vanne à quatre voies 4 et la conduite 3, à l'entrée 2 du compresseur. Le cycle de chauffage de l'installation est illustré sur la figure 2. La vanne à quatre voies 4 est maintenant disposée de telle façon que le gaz comprimé par le compresseur 1 passe par les conduites 3 et 7 et est amené au serpentin intérieur 8 où le gaz est condensé en un liquide comprimé. La chaleur est alors dissipée dans l'air qui entoure le serpentin 8. Une partie de ce liquide est introduite dans le réservoir 13 qui a des dimensions telles qu'il peut recevoir juste la quantité de liquide nécessaire pour le cycle de chauffage de l'installation et il est situé de façon telle qu'il est entouré par de l'air ayant une température inférieure à celle du liquide circulant lui-même. Le reste du liquide sera étranglé dans les moyens d'étranglement 10 de telle sorte que sa vaporisation ait lieu dans le serpentin 6. Le gaz ainsi obtenu est ramené par les conduites 5 et 2 à l'entrée du compresseur et le cycle peut alors se répéter. On voit que le réservoir 13 contrôle automatiquement la quantité de réfrigérant sans aucune sorte de moyens de réglage par la simple utilisation d'un seul moyen d'étranglement qui est utilisé dans les deux sens d'écoulement du liquide. Comme on l'a mentionné ci-dessus, il se produit pendant l'hiver une accumulation non souhaitable de givre sur le serpentin extérieur 6. Pour dégivrer, la vanne à quatre voies qui prend normalement la position du cycle de chauffage est provisoirement passée à la position du cycle de refroidissement, c'est-à-dire qu'on la fait passer à la position représentée sur la figure 1. Comme du liquide se trouve maintenant du côté basse pression de l'installation et que l'on peut vaporiser ce liquide dans le serpentin 8 qui est maintenant un évaporateur, du gaz chaud peut maintenant être injecté dans le serpentin 6 de façon à le dégivrer. A cette fin également, le réservoir 13 assure une régulation automatique de la quantité de réfrigérant nécessaire.On dégivre de préférence à des intervalles relativement courts pour ne pas permettre à l'accumulation de givre de trop influencer le fonctionnement de l'installation. Ceci se fait par exemple à l'aide de relais temporisés. Etant donné que, pendant le cycle de dégivrage, l'installation travaille de façon à opérer un refroidissement, des éléments chauffants électriques 16 sont susceptibles d'être mis en fonctionnement pendant ce cycle. Ainsi la température des locaux n'est pas obligée de baisser lorsque lion dégivre. Sur les figures 3 et 4, l'installation a dans son ensemble la forme d'un coffrage de cheminée passant à travers le toit du bâtiment. Des ventilateurs ou souffleries 14 et 15 font circuler l'air L'air d'un local A peut donc passer autour du serpentin intérieur 8 où il se refroidit si on le désire. L'air est alors mélangé à de l'air extérieur. Cet air mélangé et refroidi est soufflé dans le local au moyen de la soufflerie 15. La chaleur du condenseur de llinstallation est absorbée par le serpentin 6. L'air des toilettes, des cuisines, etc., est évacué au moyen d'une soufflerie spéciale (figure 4) qui peut être incorporée dans l'installation ou être conçue comme une unité séparée.Le chauffage de l'air extérieur se fait de deux façon : L'installation est réversible grace à la vanne à quatre voies 4 et, lorsque l'on a besoin du chauffage, elle procure un chauffage de l'air suivant le principe de la pompe de chaleur. Le processus est alors le suivant : l'air extérieur mélangé avec l'air évacué des toilettes, etc., est refroidi pendant son passage sur le serpentin 6. L'air évacué des locaux mentionnés est de préférence acheminé dans un canal qui peut consister en une double paroi du coffrage de la chemunée et atteint l'espace situé avant le serpentin par un trou pratiqué dans la paroi intérieure. La chaleur qui est prélevée de cette façon sur l'air extérieur et sur l'air évacué est amenée par le compresseur de refroidissement au serpentin 8 où elle réchauffe l'air évacué du local.L'air réchauffé est mélangé avec de l'air extérieur, il est filtré et il est introduit dans le local. Les éléments chauffants électriques peuvent comprendre plusieurs sections. On peut utiliser une de ces sections au chauffage pendant le cycle de dégivrage, tandis que l'on peut mettre en circuit deux ou plus de deux sections lorsque la capacité de l'installation ne suffit pas à donner le chauffage désiré. L'installation est contrôlée automatiquement à partir d'un central 17 qui délivre des impulsions en fonction du froid ou de la chaleur produits et peut aussi émettre des signaux d'alarme. La température désirée pour le local est fixée au central et l'installation peut aussi être arrêtée et stoppée du central. Le central comprend un moteur de régulation 18 qui mesure la température effective du local et la modifie en fonction de celle qui est souhaitée. En cas de non-coincidence, le moteur de régulation contrôle le programmateur 19 pour produire plus de chaleur du plus de froid. Le programmateur émet alors des impulsions vers l'unité de puissance pour mettre un contacteur en circuit ou hors circuit. Ce contacteur peut par exemple démarrer ou arrêter le compresseur, brancher ou débrancher une section de chauffage électrique, etc.. La séquence de régulation du froid maximum à la chaleur maximum est la suivanté 1. Le compresseur travaille en cycle de refroidissement avec le volet de tirage extérieur fermé. 2. Le compresseur travaille en cycle de refroidissement avec le volet de tirage extérieur ouvert. 3. Position neutre, le volet de tirage extérieur est ouvert. 4. Le compresseur travaille en cycle de chauffage avec le volet de tirage extérieur ouvert. 5. Comme en 4. mais avec la section 1 des éléments de chauffage électriques branchés. 6. Comme en 5. mais avec la section 2 branchée. 7. Comme en 6. mais avec la section 3 branchée. 8. Le compresseur travaille en cycle de chauffage, les sections 1, 2 et 3 des éléments de chauffage électrique étant branchées et le volet de tirage extérieur étant fermé. Le central comprend un interrupteur temporisé 20 qui démarre et arrête la soufflerie d'évacuation et ouvre et ferme le volet de tirage extérieur. En fonctionnement en temps de jour, la soufflerie d'évacuation fonctionne toujours et le volet de tirage extérieur fonctionne suivant le schéma indiqué ci-dessus. Pendant la nuit, l'interrupteur temporisé 20 arrête la soufflerie d'évacuation et ferme le volet de tirage extérieur. La manette errêt-marche a deux positions de fonctionnement. Dans la première position , le contrôle journuit suit l'interrupteur temporisé et, dans l'autre position, l'installation fonctionne avec la soufflerie d'évacuation en action et le volet de tirage extérieur dans la position indiquée dans le schéma ci-dessus. Lorsque le compresseur travaille en cycle de chauffage, on peut aussi effectuer le dégivrage. Le mélange de l'air extérieur et de l'air évacué qui passe sur le serpentin 6 contient une certaine quantité d'humidité. Lorsque la partie refroidie de cette humidité précipite sur le serpentin extérieur à une temperature extérieure inférieure a + 50C, l'eau gèle. Pour arriver à ce que l'appareil ne perde pas sa capacité de chauffage, il faut enlever le givre, ce qui, comme on l'a déjà mentionné s,e fait par une opération de dégivrage qui est contrôlée par une horloge de dégivrage 21 (figure 3). Cette horloge constate, de préférence tous les deux tours, si du givre s'est accumulé sur le serpentin. Si ceci est le cas, le cycle de dégivrage commence et a lieu selon la séquence suivante 1. Arrêt de la soufflerie supérieure. 2. Le compresseur change sa fonction de refroidissement, dégivrage à l'air chaud. 3. La section 2 des éléments de chauffage électrique est mise en circuit. 4. Le volet'de tirage extérieur est fermé. L'air amené dans le local a encore la temperature désirée. Lorsque le serpentin 6 est débarrassé de sa glace, le compresseur passe automatiquement en fonctionnement de pompé de chaleur et le contrôle suit la procédure habituelle. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ci-dessus décrit et représenté, à partir duquel on pourra prévoir d'autres modes et vautres formes de réalisation, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 ) Dispositif de production de chaleur et de froid au moyen d'un fluide circulant en circuit fermé, de préférence pour une installation de conditionnement d'air pour les bâtiments comprenant des moyens de compression, des moyens d'échange de chaleur situés à l'extérieur, des moyens d'échange de chaleur situés à l'intérieur et des moyens d'étranglement, caractérisé en ce qu'un compresseur (î) est relié par une vanne (4) et les conduites (2, 3, 5, 7, 9 et 11) à un échangeur de chaleur (6) situé à l'extérieur, à des moyens d'étranglement (10) et à un échangeur de chaleur situé à l'intérieur (8) d'une façon telle que le fluide comprimé par le compresseur dans une première position de la vanne peut passer dans différents états à travers les différents composants de l'installation dans l'ordre mentionné ci-dessus (cycle de refroidissement) tandis que, dans une seconde position-de la vanne, le fluide passera dans différents états tout d'abord à travers l'échangeur intérieur (8) et ensuite dans les moyens d'étranglement (10) dans un sens opposé au sens pris avec la première position de la vanne et ensuite dans l'échangeur de chaleur extérieur (6) (cycle de chauffage), et en ce qu'un piquage (12) conduisant à la partie inférieure d'un réservoir (13) est pris sur la conduite (9) entre l-'échangeur -intérieur (8) et les moyens d'étranglement (10). 20) Dispositif suivant la revendication li caractérisé en ce que le volume du réservoir (13) correspond à la différence de volume entre le volume de fluide qui est nécessaire dans le cycle de chauffage et le volume de fluide qui est nécessaire pendant le cycle de refroidissement. 30) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte un élément chauffant électrique qui est branché pour effectuer le dégivrage de l'installation lorsque le fonctionnement en cycle de chauffage passe, temporairement et à intervalles relativement courts, en fonctionnement en cycle de refroidissement. 4 ) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu?il comprend un habillage ayant généralement la forme d'un coffrage de cheminée passant à travers le toit d'un bâtiment et logeant, dans sa partie extérieure, au moins l'échangeur de chaleur extérieur (6). 50) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'habillage (22) loge le compresseur (1), les deux échangeurs de chaleur (6) et (8), les moyens d'étranglement (10), le réservoir (13) ainsi que la soufflerie (14) de contrôle de la direction des flux d'air chauds et froids et de l'évacuation.