Brevet FR2299605A1 — publié le 19760827

L'invention a pour objet une installation d'échange thermique à poupe de chaleur. On connait d6jà des installations d'échange thermique comportant une pompe de chaleur, c'est-à-dire un compresseur de fluide frigorigène, deux échangeurs de chaleur dont l'un joue le rOle de condenseur et l'autre le rOle d'évaporateur et un détendeur. Dans les installations usuelles les températures de condensation et d'évaporation du fluide frigorigène sont sensiblement différentes l'une de l'autre, l'écart pouvant être de l'ordre de 450C,de sorte qu'il faut faire appel à un compresseur à taux de compression élevé dont la lubrification est difficile et la durée de vie rela tiveent courte. Lorsqu'une telle installation est prévue pour le chauffage d'un milieu liquide ou gazeux, par exemple pour le conditionnement de l'air d'un batiment à usage d'habitation, commercial ou industriel, le coefficient de performance,-rapport de la puissance calorifique prodnite à la puissance consowmze-, est faible, en raison de 1'i pertance de la puissance consommée. Dans ces installations connues, en outre, la puissance lectrique appelée est forte, les conditions de fonctionnement varient de façon importante en correspondance des variations climati ques saisonnières et le dégivrage de l'évaporateur n'est pas toujours satisfaisant. On a déjà proposé, pour pallier l'inconvanient lié à la différence relativement grande des températures de condensation et d'évaporation du fluide frigorigène, de fractionner l'installation, c'est-à-dire de constituer celle-ci suivant plusieurs étages de poopes de chaleur. De telles installations ne sont pas toutefoi entièrement s*tisfaisantes, en ce que les compresseurs de tous les étages doivent nécessairement fonctionner simultanément, aussi bien dans les installations du type *cascade" que dans celle du type *compound".Dans les premières, en effet, le condenseur du premier étage évacue sa chaleur dans l'évaporateur du second étage, etc., tandis que dans les installations du second type le fluide frigorigène sous forme gazeuse fourni par le compresseur d'un étage est comprimé par le compresseur de l'étage suivant, etc. C'est, a d'une manière générale, un but de l'invention de fournir une installation qui ne présente pas les inconvénients rap pelés ci-dessus des installations connues. C'est, en particulier, un but de l'invention de fournir une telle installation qui ait un coefficient de performance globale très élevé, de l'ordre de 6 à 10 et qui, de ce fait, n'exige, toutes choses égales par ailleurs, qu'une consommation d'énergie réduite par rapport aux installations connues C'est, aussi, un but de l'invention de fournir une telle installation qui ne fasse appel qu'a des compresseurs à plus faible taux de compression que ceux des installations connues, augmentant d'autant la durée de vie de ces machines. C'est, encore, un but de l'invention de fournir une telle installation dans laquelle les compresseurs ne fonctionnent pas nécessairement simultanément. C'est, enfin, un but de l'invention de fournir une telle installation dans laquelle les conditions de fonctionnement ne soient que peu sensibles aux variations climatiques saisonnières et qui, en outre, apporte une solution particulièrement simple au problème du dégivrage. Une installation d'échange thermique selon l'invention, comprenant une pluralité de poupes de chaleur entre une source froide et une source chaude, est caractérisée en ce que les échangeurs de chaleur jouant le mamie rôle de chacune des pcmpes ou les éléments analogues d'un récupérateur statique de chaleur sont disposés, respectivement, en série et adjacents les uns aux autres sur les flux des milieux liquides ou gazeux balayant, respectivement, lesdits échangeurs ou éléments analogues de récupérateurs statiques. Selon une autre caractéristique de l'invention, un premier milieu liquide ou gazeux balaie successivement les échangeurs jouant le rôle d'évaporateurs de la première pompe de chaleur, de la seconde, de la troisième... etc... de la nièce ou les éléments analogues de récuperateurs statiques de chaleur, tandis qu'un second milieu liquide ou gazeux balaie successivement les échangeurs jouant le rôle de condenseurs de la nième pompe de chaleur, de la n ~lième... jusqu'S celui de la première ou les éléments analogues des récupérateurs statiques de chaleur. L'invention sera bien comprise par la description qui suit, faite à titre d'exemple et en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 est un schéma d'une installation selon l'invention - la figure 2 est un diagramme montrant les valeurs de température en divers points de l'installation ., - la figure 3 est une vue en élévation d'un élément constitutif de l'installation - la figure 4 en' est une vue de côté - la figure 5 est une vue analogue à celle de la figure 3 mais pour une variante. Une installation d'échange thermique selon l'invention, 10, figure 1, comprend à son entrée un filtre Il du milieu liquide ou gazeux à chauffer ou refroidir, par exemple de l'air pénétrant dans l'installation dans la direction montrée par la flèche f. Lorsque l'installation est destinée au chauffage d'un local L, l'air ayant traversé le filtre 11 est amené sur un système statique de récupération de chaleur, 12, constitué par exemple par des batteries d'échange à eau glycolée, un échangeur à plaques, un échangeur accumulateur rotatif ou encore, avantageusement, des batteries de caloducs dont l'emploi est préféré en raison de leur similitude de fonctionnement avec une pompe de chaleur.Le dispositif 12, à un ou plusieurs étages, sera décrit plus en détail ci-après ; il permet d'extraire, sans consommation d'énergie, jusqu'à 50% de la chaleur contenue dans l'air de reprise du local L auquel est abouché un ventilateur d'extraction 13, le trajet de l'air chaud extrait étant montré par la flèche g. A la suite du dispositif 12, et accolés à ce dernier, l'installation comprend une pluralité d'échangeurs de chaleur, trois dans l'exemple représenté, et qui sont référencés 151, 152 153, en correspondance des pompes de chaleur 141, 142, 143 dont ils forment des parties constitutives. Les pompes de chaleur 14 comprennent chacune, de façon en soi connue, un compresseur 16, un second échangeur de chaleur 17 et un détendeur 18 sur le circuit de fluide frigorigène reliant les deux échangeurs 15 et 17 qui jouent respectivement, par exemple lorsque l'installation est utilisée pour le chauffage, le rôle de condenseur et d'évaporateur. Selon l'invention, également, les échangeurs 151, 152, 153 des pompes de chaleur 141, 142, 143 sont montés en cascade, à contre-courant, c'est-à-dire que le flux d'air neuf sortant du dispositif 12 balaie d'abord l'échangeur ou condenseur 151 de la pompe de chaleur 141 puis, successivement, l'échangeur 152 de la pompe 142 et l'échangeur 153 de la pompe 143 avant d'être introduit dans le local L par le ventilateur 20.Les échangeurs ou évaporateurs 17 des pompes de chaleur 14 sont placés en sens inverse sur le trajet de l'air extrait du local L, c'est-à~dire que le flux d'air extrait balaie successivement, après passage au travers du dispositif 12, l'évaporateur 173 de la pompe de chaleur 143, puis l'évaporateur 172 de la pompe de chaleur 142 et enfin l'évaporateur 171 de la pompe de chaleur 141 avant d'être rejeté à l'atmosphère comme montré par la flèche h. Lorsque le dispositif 12 de récupération de chaleur est une batterie de caloducs, il comprend, figures 3, 4 et 5, un faisceau de tubes verticaux 251, 252, 253, etc.. en cuivre ou en aluminium, dans lesquels circule un fluide frigorigène et sur lesquels sont fixées, par exemple par sertissage, des nappes d'ailettes 26. Les tubes 25 sont reliés à leurs parties supérieures par des coudes 291 2 293,4... etc., ou par des moyens équivalents et à leurs parties inférieures par une pluralité de collecteurs 271, 27 etc... dont chacun est équipé d'une valve de charge 28, à autoobturation, servant pour l'égalisation du niveau de fluide frigorigène dans la rangée de tubes 25 auxquels est relié le collecteur et également au remplissage d'une série de tubes ou de l'en- semble des tubes en fluide frigerigène, contrairement aux dispositifs connus dans lesquels les tubes sont remplis individuellement Dans une variante, figure 5, les collecteurs inférieurs peuvent être avantageusement remplacés par une série de coudes 292 3 294,5 etc., le premier des tubes 251 étant obturé à sa partie inférieure par un bouchon 33 et le dernier des tubes étant muni d'une valve de charge 28 à auto-obturation. Le remplissage en fluide frigorigène des tubes du dispositif 12 peut également etre réalisé à la partie 1supérieure" desdits tubes. En variante, les collecteurs 27 d'une nappe d'ailettes 26 sont reliés entre eux par une canalisation permettant le remplissage simultané de toutes les nappes d'ailettes, la liaison entre chaque nappe étant ensuite supprimée après le remplissage. Pour séparer le flux d'air neuf et le flux d'air extrait qui balaient les parties basse et haute du dispositif 12, l'ensemble des nappes disposées perpendiculairement aux deux flux d'air circulant à contre-courant sont séparées par une plaque 30, figures 3, 4 et 5, des plaques analogues 31 et 32 étant prévues parallèlement aux ailettes 26 sur la face supérieure et la face inférieure, respectivement, du dispositif Le fonctionnement d'une installation selon l'invention, lorsqu'appliquée au conditionnement d'air de chauffage d'une enceinte L, est le suivant L'air neuf, aspiré à une température t , traverse le filtre ll par lequel il pénètre dans l'installation puis balaie le récupérateur statique de chaleur 12 où sa température est élevée de t à t Au droit de ce dispositif, l'air extrait de l'encein- n 1. te L, à une température te, a sa température abaissée à t'l, cou-e e montré sur le diagramme de la figure 2 dans lequel on a porté en abscisses, sur la ligne A, le trajet de l'air introduit dans l'enceinte L et, sur la ligne B, le trajet de l'air extrait de cette dernière. A sa sortie du dispositif 12, l'air neuf traverse les échangeurs 151, 1521 153 qui jouent le rôle de condenseurs des pompes de chaleur 141, 142, 143, et qui élèvent progressivement sa température à une valeur t2 (à la sortie du condenseur 15î) puis à une valeur t3 (d la sortie du condenseur 152) puis à une valeur t qui est celle de l'air soufflé par le ventilateur 20 s dans l'enceinte L. Corrélativement, l'air extrait de cette dernière et qui est à une température t'l, à sa sortie du dispositif 12, voit cette température s'abaisser à une valeur t'2 après traversée de l'échangeur 173,-qui joue ici le rôle d'évaporateur-, puis à une valeur t'3 à la sortie de l'évaporateur 172, puis enfin à une température tr qui est celle de rejet à l'atmosphère à la sortie de l'évaporateur 171. EXEMPLE Une instalXation selon l'invention comportant un récupérateur statique de chaleur et deux pompes de chaleur a été expérimenté pour une production de 4320 watts. En fonctionnement les températures étaient les suivantes Température d'entrée d'air neuf dans l'installation t n = - 7"C Température de l'air extrait te = + 210C Température de l'air neuf à la sortie du dispositif d'échangeur statique tl= + 70C Température de l'air rejeté à la sortie de l'échangeur statique t'l = + 10 C Température de l'air neuf à la sortie du condenseur de la première pompe de chaleur t2 = + 150C Température de l'air rejeté à la sortie de l'évaporateur de la deuxième pompe de chaleur t'2 = + 50C Température de l'air soufflé à la sortie du condenseur de la deuxième pompe de chaleur t = + 230C s Température de l'air rejeté à la sortie de l'évaporateur de la seconde pompe de chaleur t r = + 10C Première pompe de chaleur Taux de compression du compresseur : 2,01 Ccefficient de performance partielle : 3,6 Puissance absorbée au compresseur : 300 W Deuxième pompe de chaleur Taux de compression du compresseur : 2,05 Coefficient de performance partielle : 3,6 Puissance absorbée au compresseur : 300 W Pour une telle installation le coefficient de performance est égal à 7,2 globalement et est égal à 3,6 pour la partie pompes. A titre de comparaison, une installation comprenant une seule pompe de chaleur pour amener l'air neuf à une meme tempé rature t = + 230C et rejetant l'air extrait à une températu s re t r = + 10C nécessite un compresseur ayant un taux de compression de 3,06, soit 50% de plus que celui de l'installation décrite dans l'exemple ci-dessus. Son coefficient de performance est égal à 3, soit 2,4 fois moins pour l'ensemble de l'installation que celle de l'exemple décrit ci-dessus et 20% de moins en ce qui concerne la partie de compression seule. L'invention n'est pas limitée, bien entendu, à son application au chauffage de l'air de conditionnement d'une enceinte. C'est ainsi que l'installation peut être utilisée non seulement pour le chauffage mais également pour le refroidissement de l'air de conditionnement lorsque les pompes de chaleur sont du type à "inversion de cycle". L'invention est applicable non seulement au chauffage et au refroidissement de fluides gazeux, mais également au chauffage et au refroidissement de liquides. Dans ce dernier cas, aussi bien le dispositif statique 12 que les échangeurs 15 et 17 des pompes de chaleur sont du type des échangeurs liquide frigorigène/liquide au lieu d'être du type liquide frigorigène/air. RGVENDICATIONS 1. Installation d'échange thermique entre deux flux de milieux liquides ou gazeux circulant à contre courant, comprenant des moyens de pompe de chaleur et un dispositif statique d'échange de chaleur jouant un rôle analogue à celui d'une pompe de chaleur, ledit dispositif statique étant disposé sur les deux flux à l'amont des moyens de pompe de chaleur, caractérisée en ce que lesdits moyens sont constituées par une pluralité de pompes de chaleur dont les échangeurs jouant le même rôle sont disposés en série et adjacents les uns aux autres de manière qu'un pre mier milieu liquide ou gazeux balaie successivement une partie du dispositif statique puis 1' échangeur jouant le rôle d'va- porateur ou de condenseur de la première pompe, celui de la seconde, celui de la troisième, etc.., celui de la nimbe pompe, tandis que- le second milieu liquide ou gazeux balaie succeisive- ment une autre partie du dispositif statique puis l'échangeur jouant le rôle de condenseur ou d'évaporateur de la nixe pompe, celui de la n-lième pompe, etc.. Jusqu'S celui de la ldre pompe. 2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que, de façon en soi connue, le dispositif statique est une batterie de caloducs comprenant plusieurs nappes dont chacune est perpendiculaire aux deux flux des milieux liquides ou les tubes a ailettes constitutifs dès nappes de la batterie de caloducs étant disposés verticalement et étant reliés à leurs parties inférieure et supérieure par un collecteur ou par des coudes, le remplissage en fluide frigorigène de chacune des nappe. étant effectué par le collecteur inférieur ou les coudes de liaison des tubes a leur partie supérieure. 3. Installation selon la revendication 1, caractérisee entre que le dispositif statique de récupération de chaleur est constitué par des batteries d'échange à eau glycolée, ou un échan- geur à plaques, ou un échangeur accumulateur rotatif, ou des batteries de caloducs, ou un moyen équivalent.