Brevet FR2305694A1 — publié le 19761022

L'invention concerne les machines thermodynamiques utilisant le cycle de Carnot inverse pour le chauffage ou la réfrigération d'un local. Plus précisément, elle concerne des perfectionnements apportés à des machines de ce type, notamment à cycle unique, en vue d'améliorer leur performance. On saint en effet, que de telles machines ont pour but de transférer la quantité de chaleur la plus grande possible au prix d'un travail le plus faible possible. C'est pourquoi on définit la performance de la machine de transfert de chaleur & cycle thermodynamique comme étant le rapport de la quantité de chaleur qu'elle fournit au travail absorbé par son compresseur pour ce transfert. Cette performance est d'autant meilleure que les températures de la source froide et de la source chaude sont plus proches l'une de l'autre. Une machine de transfert thermodynamique comprend un circuit fermé,dans lequel circule un fluide qui, sous la sollicitation de moyens de compression et de moyens de détente, passe par une succession d'états physiques différents pour revenir finalement à son état initial, Lorsque l'utilisateur utilise du froid, on dit que sa machine est un groupe frigorifique. Lorsqu'il désire des calories on dit que sa machine est une pompe à chaleur. Il s'agit dans les deux cas du même type de machine. Le premier utilisateur parlera cependant de coefficient d'effet frigorifique, lorsque le second parlera de performance, Ces deux rendements obéissent aux mêmes lois t on ne parlera, pour simplifier, que de performance. Dans ces machines, le fluide utilisé prélève, en certaines parties du circuit fermé qu'il emprunte, des calories à un premier milieu ambiant dans lequel baignent ces parties du circuit et fournit ces calories à un second milieu ambiant dans lequel baignent d'autres parties dudit circuit. Les parties du circuit où le fluide refroidit le premier milieu ambiant constituent donc une batterie ou source froide, tandis que les parties du même circuit où le même fluide réchauffe le milieu ambiant constituent une batterie ou source chaude. Dans ce circuit fermé, le fluide frigorigène s'évapore à une certaine température (température de la source froide) en prélevant des calories au fluide à refroidir, est ensuite comprimé, et se condense enfin à une température plus élevée (température de la source chaude), en cédant des calories au fluide à réchauffer. Pour que l'échange de calories soit possible à la source froide, la température du fluide à refroidir est en tous points supérieure à la température d'évaporation du fluide frigorigène ou température de la source froide. Pour les mêmes raisons, la température du fluide à réchauffer est en tous points inférieure à la température de condensation du fluide frigorigène. Compte tenu de ces conditions d'échange thermique, la performance théorique du cycle thermodynamique ne pourra, en aucun cas, être supérieureà celui du cycle fonctionnant entre les températures extrêmes des fluides extérieurs, à savoir la température la plus basse du fluide à refroidir et la température la plus haute du fluide à réchauffer0 D'un point de vue théorique, ce rendement maximum pourrait au mieux etre approché en utilisant des surfaces d'échange infinies, En l'état actuel des techniques, on se borne à augmenter les surfaces d'échanges, ce qui accroit le coût et l'encombrement, ou bien à améliorer la performance réelle de la machine.De plus, cette limitation du rendement,due aux températures extrêmes,est particulièrement désavantageuse dans la mesure où le but de ces machines est généralement d'effectuer un transfert d'énergie au prix d'un travail aussi minime que possibles L'invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant un procédé et un dispositif permettant d'améliorer les performances d'une machine à cycle thermodyninique en dédoublant ses circuits, sans augmenter considerablement les surfaces d'échange et sans avoir recours à des circuits frigorifiques trop élaborés. Le procédé conforme à l'invention pour assurer le chauffage ou la réfrigération d'un local est caractérisé en ce que l'air pénétrant dans ledit local passe successivement sur au moins deux batteries chaudes -respectivement sur deux batteries froides- appartenant chacune à une machine thermodynamique distincte, disposées en série sur son trajet, tandis que l'air évacué dudit local passe successivement sur les deux autres batteries desdites machines thermodynamiques, la batterie chaude rencontrée en premier lieu par l'air admis dans le local appartenant à la même machine que la batterie froide rencontrée en second par l'air évacué du local. Ce procédé consiste donc à fractionner les échanges thermiques, afin de diminuer les écarts entre les températures de condensation et d'évaporation d'une même machine thermodynamique, ce qui permet, à surfaces d'échange égales, d'améliorer très sensiblement le rendement global de chaque machine et, par conséquent, de 1'ensemble Le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé constitue également un objet de la présente invention.Ce dispositif est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux machines à cycle thermodynamique indépendantes, chaque machine comprenant une batterie d'évaporation et une batterie de condensation individuelles,l'air du local à réchauffer ou à réfrigérer passant successivement en série sur les batteries de condensation ou de réfrigération de chacune desdites machines j un tel dispositif est couramment désigné sous le nom de centrale de traitement d'air double flux. La caractéristique essentielle de l'invention réside donc dans le fait que l'on a groupé dans une centrale compacte deux machines thermodynamiques et que 1'on fait passer en premier lieu l'air admis dans le local sur la batterie chaude de la première machine et, par contre, que l'air évacué du local passe sur la batterie froide de la première machine après être passé sur la batterie froide de la seconde machine, Les batteries chaudes et/ou froides des deux machines thermodynamiques peuvent etre accolées ou non, Avantageusement, chaque machine thermodynamique fonctionnera suivant un cycle unique, le passage de la fonction réfrigération à la fonction chauffage de cette machine (et réciproquement) s'opèrant en intervertissant les positions relatives des batteries chaude et froide de la machine par rapport aux flux d'air passant sur chacune d'entre elles. Dans une telle forme de mise en oeuvre, les batteries pourront avoir une position fixe en cycle chauffage et en cycle réfrigération, le passage d'un cycle à l'autre s'effectuant alors en intervertissant les parties des circuits des flux d'air dans lesquelles sont situées lesdites batteries. Inversement, les circuits desdits flux de chaque machine thermodynamique peuvent être inchangés en cycle chauffage et en cycle réfrigération, le passage d'un cycle à l'autre s'effectuant en déplaçant les batteries et en intervertissant leurs positions respectives par rapport à ces circuits. Les dessins annexés illustrent la mise en oeuvre de l1inven- tion. Sur ces dessins s La figure 1 illustre le fonctionnement d'une machine thermodynamique classique ou pompe à chaleur air-air t La figure 2 est un schéma simplifié de la figure 1 t La figure -3 illustre un montage des batteries de la machine selon la figure 2 t La figure 4 est un digramme illustrant le fonctionnement d'une machine thermodynamique selon les figures 2 et 3 t La figure 5 est un schéma d'un dispositif conforme à l'inven- tion, ce schéma étant analogue à celui de la figure 2 t La figure 6 illustre un montage des batteries chaudes et froides du dispositif selon la figure 5 t La figure 7 est un diagramme analogue à celui de la figure 4, illustrant le fonctionnement du dispositif selon l'invention représenté par les figures 5 et 6 ; La figure 8 est un diagramme comparatif du fonctionnement d'une machine classique et dru dispositif conforme à l'invention t La figure 9 est un schéma illustrant la possibilité d'intervertir les flux d'air sur une machine thermodynamique à cycle unique utilisable dans le cadre de la présente invention. Le schéma de la figure 1 montre une machine thermodynamique comprenant un circuit fermé 1 dans lequel circule un fluide frigorigène. Ce fluide, comprimé par un compresseur 2, passe, dans le cas de la figure 1 (cycle de chauffage), dans un condenseur 3 (batterie chaude) parcouru par le flux d'air Fle qui lui emprunte des calories, et pénètre dans un local 4, sous la sollicitation d'un ventilateur 5. Le fluide frigorigène passe ensuite dans un évaporateur 6 (batterie froide) traversé par le flux F2 qui lui cède des calories et qui est évacué du local 4 par le ventilateur 7. On retrouve ces divers éléments sous une forme plus schématique sur la figure 2, ainsi que sur la figure 3 qui montre comment les batteries 3 et 6 et les ventilateurs 5 et 7 peuvent être réunis pour former un ensemble intégré. La figure 4 illustre le réchauffement du local 4 à l'aide d'un tel ensemble. La température de condensation T1 du fluide frigorigène est de 29,50C, tandis que la température d'évaporation T2 est de -80C, La température tl du flux F1 (air extérieur) est d'environ -50C, la température du local t2 est de 190C et la température t3 du flux F2 après passage sur l'évaporateur 6 est de 3,50C. Les figures 5 et 6 illustrent la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, destiné à fractionner les échanges de température, afin d'accroître le rendement thermodynamique. A cet effet, on utilise deux machines thermodynamiques analogues, disposées en parallèle (circuits fermés la et lb, respectivement, sur lesquels les organes déjà décrits sont affectés des indices respectives a et b). Le bilan thermique est illustré par la figure 7.Le flux d'air extérieur F1 passe nécessairement sur le condenseur 3b, puis sur le condenseur 3a, avant de pénétrer dans le local, tandis que le flux d'air F2 extrait du local passe d'abord sr l'évaporateur 6a, puis sur l'évaporateur 6bo La température t'l de 1'air extérieur est d'environ -50C t celle T'l du condenseuri3a est d'environ 150C et le flux d'air F1 atteint, après ce condenseur, une température t'2 égale à environ 80C, La température T11 du condenseur 3b est de 29,50C et la température t'3, après passage sur ce condenseur3 est égale à 190C. A la sortie du local, le flux F2 passe d'abord par l'évaporateur 6a (température d'évaporation T2* égale à 1 C) et atteint une température t4 de 80C environ0 Il passe enfin sur l'évaporateur 6b (température d'évaporation T'2, environ -80C) et atteint alors une température t d'environ 20C, La figure 6 représente un montage intégré des batteries 3a, 3b, d'une part, 6a, 6b, d'autre part, avec un seul ventilateur 6 et un seul ventilateur 7. La figure 8 illustre, dans sa partie gauche, le cycle d'une machine thermodynamique 1 telle que celle des figures 2 et 3, tandis que sa partie gauche illustre le cycle des deux machines la et lb du montage selon l'invention. Un exemple pratique de mise en oeuvre de l'invention, avec les valeurs indiquées au sujet de la figure 7, met en relief les avantages apportés par l'invention Si le flux F1 d'air aspiré à 3 une température de -50C est de 8 000 m /h, la puissance du compres- seur de la machine la (figure 5) est de 7,6 kW et la machine fournit 33 500 kcalfh, tandis que la puissance de la machine lb est de 6,3 kW et cette machine fournit 26 800 keal/hO Du local à 200C, on extrait un flux F2 de 6 000 m /h (la différence des débits de F1 et F2 est due aux fuites du local) et, après passage sur les évaporateurs 6a et 6b, l'air est rejeté dans l'atmosphère à 10C, La performance thermique de la machine la, égale au rapport entre la puissance thermique fournie (33 500 keal/h, soit 38 860 W) et la puissance du compresseur, est de 38 860 - S,ll. 7 600 La performance thermique de la machine lb, calculée de façon analogue, est de 4,930 La performance thermique de l'ensemble est égale à 5, alors qu'une machine thermique classique du type de la figure l, fonction nant dans les mêmes conditions de température externe et de température du local2 n'aurait qu'une performance de 4 et devrait, pour fournir une puissance calorifique égale, avoir une puissance de 17,5 kW (contre 6,3 + 7,6 D 13,9 kW pour la machine de la demande), donc supérieure de 25 X à i1 u ;~spe3it?f de la demande. L'utilisation de deux machines thermodynamiques n, accroît pas sensiblement le coût d'une installation de climatisation comprenant une seule machine. En effet, dans les domaines de puissance concernés, deux compresseurs ne content pratiquement pas plus chers qu'un seul compresseur de puissance égale à la somme des puissances des deux compresseurs0 On notera d'ailleurs un autre avantage important dû au dédoublement des circuits. Ce dispositif permet, en effet, outre l'amé- lioration de performance due aux écarts de température, une augmentation très sensible de la quantité de frigories donnée à la source froide0 La batterie froide fonctionnant à la plus basse température fonctionne en zone de givrage, mais le deuxième groupe ne cesse pas de fonctionner, lorsque le premier est en cycle de dégivrage. Un tel fonctionnement à puissance maximum présenterait de graves inconvénients dans le cas d'une machine simple. A chaque source, les batteries peuvent être deux compartiments distincts d'un même ensemble, ou bien être la juxtaposition de deux batteries distinctes, accolées ou non. Les batteries propres à chacune des machines peuvent ainsi être montées à contre-courant sur les deux flux d'air F1 et F2, comme représenté sur les dessins. On notera que le dispositif conforme à l'invention est particulièrement simple. Il peut être utilisé aussi bien pour le chauffage que pour la réfrigération d'un local, mais, pour pouvoir l'uti liser conjointement pour ces deux types de climatisation, sans avoir à inverser le cycle des machines thermodynamiques -ce qui nécessiterait des installations particulièrement compliquées-, il est préférable, comme il a été indiqué ci-dessus, d'intervertir, pour chacune des dites machines, les positions des batteries par rapport aux flux F1 et F2, sans inverser le sens de déplacement du fluide frigorigène. Une telle possibilité d'inversion des positions des batteries est illustrée par la figure 9. Dans un caisson 17 sont disposées une batterie froide 18 et une batterie chaude 19 t une cloison 20 divise le caisson 17 en deux conduits correspondant respectivement aux batteries 18 et 19o A chaque extrémité du caisson sont disposés des volets mobiles, respectivement l2a, l2b, 13a et 13b, dont l'ex trémité libre peut venir, à la suite d'un mouvement de pivotement, en contact étanche avec l'extrémité correspondante de la cloison 10 (ces positions des volets sont représentées en traits interrompus sur la figure 3).Il est ainsi possible, en commandant judicieusement les volets, de faire passer un flux F1, pénétrant dans le caisson 17 par l'une des ouvertures 14a et 14b, soit sur la batterie froide 18, soit sur la batterie chaude 19. De même, un fluide F2, pénétrant dans le caisson 17 par une ouverture centrale 15 disposée entre les ouvertures 14a et 14peut passer soit sur la batterie froide 18, soit sur la batterie chaude 19. Un tel système, particulièrement simple, adapté aux machines thermodynamiques, permet d'utiliser le dispositif conforme à l'invention pour la climatisation d'un local aussi bien en été qu'en hiver, sans inverser les cycles des dites machines. Bien que les formes de réalisation d'un tel dispositif qui ont été décrites ci-dessus ne comportent que deux machines thermodynamiques, il est clair que l'on pourrait utiliser de la même manière un plus grand nombre de machines, regroupées dans une rneme centrale thermique, l'air admis dans le local passant sur la batterie chaude d'une première machine, puis sur celle d'une seconde machine, et ainsi de suite, tandis que l'air évacué du local passe dans un ordre inverse sur les batteries froides des diverses machines, c'est-à-dire, par exemple, qu'il ne passera sur la batterie froide de la première machine, qu'après être passé sur celle de la second machine. REVENDICATIONS 1.- Procédé pour assurer le chauffage -respectivement la réfrigération- d'un local, caractérisé en ce que l'air pénétrant dans ledit local passe successivement sur au moins deux batteries chaudes -respectivement sur deux batteries froides- appartenant chacune à une machine thermodynamique distincte, disposées en série sur son trajet, tandis que l'air évacué dudit local passe successivement sur les deux autres batteries desdites machines thermodynamiques, la batterie chaude rencontrée en premier lieu par l'air admis dans le local appartenant à la même machine que la batterie froide rencontrée en second par l'air évacué du local, 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites machines thermodynamiques fonctionnent suivant un cycle unique, le passage de la fonction réfrigération à la fonction chauf fage de chaque machine, et réciproquement, s'opérant en intervertissant les positions relatives des batteries chaude et froide de la machine par rapport aux flux d'air passant sur chacune d'entre elles. 3.- Dispositif de centrale de traitement d'air double flux pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison au moins deux machines à cycle thermodynamique, des moyens pour faire passer en série sur les batteries chaudes, respectivement froides, desdites machines de l'air destiné à être introduit dans un local, et des moyens pour faire passer en série sur les batteries froides, respectivement chaudes, desdites machines, l'air évacué dudit local, lesdites machines étant disposées de façon telle,aur les trajets de l'air, que la batterie chaude rencontrée en premier par l'air admis dans le local appartienne à la meme machine que la batterie froide rencontrée en second par l'air évacué de ce local, 4.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les batteries froides, d'une part, les batteries chaudes, d'autre part, des machines thermodynamiques sont accolées. 5.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les batteries froides, d'une part, les batteries chaudes, d'autre part, des machines thermodynamiques constituent des compartiments distincts, respectivement d'un ensemble froid et d'un ensemble chaud. 6.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites machines thermodynamiques sont des machines à cycle unique, des moyens étant prévus pour intervenir les positions relatives des batteries et des flux d'air.