Brevet FR2294405A1 — publié le 19760709

La présente invention concerne un procédé de chauffage d'un fluide d'utilise sation par échange indirect de chaleur avec un fluide de cycle comprimé, qui est ensuite détendu, puis ramené une enthalpie superieure par échange indirect de chaleur avec un fluide auxiliaire externe à une tenpérature initiale notablement supérieure à la tewpérature du fluide de cycle détendu. Elle s'étend aussi à un dispositif de nise en oeuvre de ce procédé. Par échange de chaleur indirect on entend un échange qui s'effectue au travers d'une paroi. On sait que de tels procédés faisant appel au cycle dit "de pompe à chaleur", empruntent des calories un premier milieu, fourni par le fluide auxiliaire externe, pour restituer ces mêmes calories majorées de la puissance interne de la pompe chaleur, a un second nilieu, fourni par le fluide d'utilisation, dont la température est supérieure celle du milieu de prelevement. Dans les procédés habituels connus, les calories sont empruntées par exemple, soit à l'air ambiant, soit l'eau d'une-riviere. Dans les cycles connus de ce genre, le fluide auxiliaire externe traverse un evaporateur et y provoque par echange indirect de chaleur le passage de la phase liquide a la phase gazeuse du fluide thernodynanique de cycle. Ce dernier est ensuite comprime dans un compresseur pour aller finalement se condenser dans un condenseur, ou il cede ses calories au fluide d'utilisation.Lorsque le fluide auxiliaire externe est l'air ambiant ou lteau d'une rivière, il peut être consi degré cowe fourni gratuitement ou presque gratuitement, de sorte que l'on intérêt à prévoir pour lui un gros débit et un tres faible refroidissement, de quelques degrés C, afin de ne pas abaisser la tewperature apparente de la source froide. Il en resulte que dans ltevaporateur l'écart thermique moyen est faible et le degre dtirreversibilité faible.Par contrez dans le condenseur, surtout dans le cas le plus general où il y a refroidissement de la vapeur avant sa condensation, l'ecart thermique moyen peut âtre sensiblement plus important et le degre d'irré- versibilite sensiblement plus élevé. Par ailleurs, lorsqué l'on utilise pour la vaporisation du fluide de cycle un fluide auxiliaire externe relativement precieux, disponible a un debit assez faible, dont il convient d'utiliser au maximum la chaleur sensible, par exemple de l'eau chaude d'origine géothermique, ou de l'eau chaude prélevée au condenseur d'une centrale thermique desservant une agglomération, il apparaît aussi dans l'évaporateur un ecart thermique moyen élevé, et par suite un degré d'irréver- sibilité important.Si par exemple l'eau chaude d'origine géothermique, issue d'un forage profond, d'environ 1800m, est refroidie de sa tenpérature initiale de 700C a sc en échange de chaleur avec le fluide thermodynamique de cycle en cours de vaporisation 2-C, l'écart thermique moyen est de 3505C. Une pompe a chaleur de type classique ne permet donc pas de tirer parti de la temperature d'entrée élevée de la source froide. La présente invention a pour but de remedier aux inconvénients ci-dessus, et de permettre d'utiliser un fluide auxiliaire externe disponible en débit relativement faible et de niveau de température initial assez élevé, sans cependant créer un écart moyen de température trop élevé et un degré d'irréversibilité trop important dans les échanges de chaleur du fluide de cycle, dtune part avec le fluide auxiliaire externe, d'autre part avec le fluide d'utilisation. Le procédé de chauffage selon l'invention est caractérisé en ce que l'on réduit l'écart de température entre le fluide auxiliaire externe et le fluide de cycle en au moins un point de leur zone échange de chaleur à une valeur très inférieure à celle qui résulterait d'une vaporisation du fluide de cycle à pression constante en échange de chaleur avec le fluide auxiliaire externe en cours de refroidissement. Il comporte en outre de préférence au moins l'une des caractéristiques suivantes : - On réduit l'écart de température entre le fluide d'utilisation et le fluide de cycle en au moins un point de leur zone d'échange de chaleur à une valeur très inférieure à celle qui résulterait d'une condensation du fluide de cycle sous pression constante en échange de chaleur avec le fluide d'utilisation en cours de réchauffage. - Un premier fluide de cycle de cycle est vaporisé par échange de chaleur avec le fluide auxiliaire externe, le premier fluide de cycle et la pression sous laquelle il est vaporisé étant tels que sa température de vaporisation soit relativement proche de la température initiale du fluide auxiliaire externe, puis le premier fluide de cycle est recomprimé et amené en échange indirect de chaleur avec le fluide d'utilisation, et au moins un deuxième fluide de cycle est vaporisé par échange de chaleur avec le fluide auxiliaire refroidi par son échange de chaleur avec le premier fluide de cycle, puis recomprimé et amené en échange indirect de chaleur avec le fluide d'utilisation, avant que ce dernier ne parvienne à l'échange indirect de chaleur avec le premier fluide de cycle. - Le premier et le deuxième fluide de cycle peuvent avoir la même nature physique ; dans ce cas le premier fluide circule entre des niveaux de pression avant et après détente respectivement supérieurs a ceux du deuxième fluide. - Une autre possibilité pour réduire les écarts thermiques dans les échangeurs consiste à utiliser un fluide de cycle qui passe en échange de chaleur, d'une part avec le fluide auxiliaire externe, d'autre part avec le fluide d'utilisation, sans changement d'état, sa détente étant effectuée avec production de travail extérieur. - L'on fait varier le débit de transfert calorifique du fluide auxiliaire externe au fluide d'utilisation, en en constituant une réserve de fluide de cycle, pouvant etre mise en camnunication avec le circuit de ce dernier ou séparée de celui-ci, et en transférant une partie du fluide de cycle du circuit dans la réserve lorsque apport calorifique nécessaire au fluide d'utílisation devient relativement faible, et en renvoyant au moins une partie du fluide mis en réserve dans le circuit lorsque l'apport calorifique nécessaire au fluide d'utilisation redevient plus élevé, tout en faisant varier corrélativement les débits de fluide auxiliaire externe et de fluide d'utilisation. - La réserve de fluide de cycle est réalisée sous forme liquide, le prélèvement ou l'injection de fluide de cycle steffectuant par prélèvement ou apport calorifique sur la réserve de fluide. Un dispositif de mise en oeuvre de l'invention, correspondant au cas où le fluide de cycle subit une vaporisation par échange de chaleur avec le fluide auxiliaire externe, est caractérisé en ce qu'il comprend un évaporateur du premier fluide de cycle en échange indirect de chaleur avec le fluide auxiliaire externe, des moyens de compression du premier fluide de cycle vaporisé, un liquéfacteur du premier fluide de cycle recomprimé en échange indirect de chaleur avec le fluide d'utilisation, une vanne de détente du premier fluide de cycle liquéfié, un évaporateur du deuxième fluide du cycle en échange indirect de chaleur avec le fluide auxiliaire externe, des moyens de compression du deuxième fluide de cycle vaporisé, un liquéfacteur du deuxième fluide de cycle en échange indirect de chaleur avec le fluide auxiliaire externe, des moyens de compression du deuxième fluide de cycle vaporisé, un liquéfacteur du deuxième fluide de cycle en échange indirect de chaleur avec le fluide dutilisation, des moyens pour faire parvenir le fluide auxiliaire externe de ltevaporateur du premier fluide de cycle a ltevaporateur du deuxième fluide de cycle, et des moyens pour faire parvenir le fluide d'utilisation du liquéfacteur du deuxième fluide de cycle au liquéfacteur du premier fluide de cycle. Ce dispositif comporte en outre de préférence au moins l'une des caracté ristiques suivantes, qui permettent dten abaisser le coût et l'encoXbrement : - Les moyens de compression du premier fluide de cycle et du deuxième fluide sont réunis dans un même corps et entrainés par un moteur commun. - Les évaporateurs du premier et du deuxième fluide de cycle sont réunis dans une même enveloppe. - Les condenseurs du premier et du deuxième fluide de cycle sont réunis dans une même enveloppe. Il est décrit ci-après, a titre d'exemple et en référence aux figures du dessin annexé, des procédés de chauffage selon l'invention et des appareillages utilisables dans ces procédés. La figure I représente un cycle de pompe a chaleur a deux circuits distincts de fluide thermo-dynamique de cycle, vaporisé par échange de chaleur avec le fluide auxiliaire externe. La figure 2 représente deux étages de compresseur montés dans un même corps, utilisables dans un cycle selon la figure 1. La figure 3a et 3b représentent respectivement deux étages de vaporisation et de condensation intégrés dans un même corps, utilisables dans un cycle selon la figure 1. La figure 4 représente un cycle de pompe à chaleur, dans lequel le fluide thermo-dynamique de cycle reste constamment à l'état gazeux, et la mise en réserve éventuelle du fluide de cycle s'effectue sous forme gazeuse. La figure 5 représente un cycle de pompe à chaleur analogue à celui de la figure 4, mais dans lequel la mise en réserve éventuelle du fluide de cycle s'effectue sous forme liquide. Dans le cycle de pompe à chaleur de la figure 1, le fluide auxiliaire externe est par exemple de liteau d'origine géothermique, arrivant en surface à une température de 700C. Cette eau, arrivant par le conduit 1, passe dans ltévaporateur 3, à l'intérieur d'une surface d'échange de chaleur représentée schématiquement par un serpentin 4. De l'autre côté de la surface d'échange, le fluide thermo-dynamique, par exemple un hydrocarbure chlorofluoré, détendu dans la vanne 5 et introduit par le conduit 6 dans l'évaporateur, en est évacué à ltétat de vapeur à 34,5 OC par le conduit 7.Il est ensuite comprimé par le compresseur 8 et envoyé vers 100"C par le conduit 9 au condenseur 10, ou il se refroidit et se condense à 800C en échange indirect de chaleur avec le fluide d'utilisation, constitué par de l'eau de chauffage de locaux, déjà partiellement réchauffée vers 600 C, qui y pénètre par le conduit 27 à l'intérieur de la surface d'échange représentée schématiquement en 11. Le fluide de cycle passe ensuite à l'état liquide par le conduit 12 à la vanne de détente 5, déjà mentionnée, cependant que l'eau réchauffée vers 750C est envoyée à l'utilisation par le conduit 28. L'eau d origine géothermique, refroidie dans l'évaporateur 3 vers 370C, est envoyée par le conduit 13 vers le second évaporateur 14, quelle traverse à l'intérieur de la surface d'échange de chaleur représentée schématiquement par le serpentin 15. De l'autre côté de la surface d'échange est admis un second fluide thermo-dynamique de cycle, pouvant être identique au premier, mais circulant alors entre des niveaux de pression inférieurs à ceux du premier circuit, de façon à poursuivre la récupération des calories de la source froide et à assurer un premier réchauffage de 1Peau de chauffage de locaux. Ce second fluide de cycle, détendu à l'étant liquide dans la vanne 16, est introduit par le conduit 17 dans l'évaporateur 14, où il se vaporise à 20C environ en refroidissant liteau géothermique de 37,50C à 50C environ. il est envoyé à l'état de vapeur par le conduit 18 au compresseur 19, puis de là par le conduit 20 au condenseur 21, alimenté en eau du circuit de chauffage de locaux introduite par le conduit 2 à 450cet circulant dans le condenseur à l'extérieur de la surface d'échange thermique 22. Le fluide de cycle sty refroidit et se condense vers 650C, puis est évacué par le conduit 23 vers la vanne de détente 16, déjà mentionnée.L'eau du circuit de chauffage de locaux réchauffée vers 600C est alors envoyée par le conduit 27 vers le premier condenseur 10. Les compresseurs 8 et 19 sont de préférence accouplés sur le meme arbre 25 et entrainés par le moteur 26. On comprend facilement que les écarts moyens de température dans les éva- porateurs 3 et 14 d'une part, les condenseurs 10 et 21 d'autre part, sont nota- blement inférieurs a ceux qui apparattraient avec un fluide thermo-dynamique refroidissant dans un évaporateur unique l'eau géothermique de 700C a 50C, et réchauffant dans un condenseur unique l'eau du circuit de chauffage de locaux de 45 à 75*C. il est aussi possible de mir chaque circuit de fluide de cycle d'un compresseur indépendant pourvu de son propre moteur d' entrainement. Cette disposition permet notamment l'établissement de régimes partiels de chauffage en début et en fin de saison, en arrêtant le deuxième étage de compression et réduisant corrélativement la puissance absorbée. On peut par contre simplifier l'appareillage, non seulement en entraînant les deux étages de compression par un moteur unique, mais en les montant dans un même corps, conte représenté en figure 2. Dans celle-ci, le premier étage de compression 31 et le second étage 32 sont entrainés par l'arbre 33 mu par le moteur 34, et ils sont groupés a l'intérieur du meme corps 35. De même, les évaporateurs peuvent être intégrés ensemble, co,;e représenté en figure 3a. Les deux surfaces d'échange de chaleur 4 et 15 sont disposées dans un corps cowoun 36, séparé en deux par une cloison 37. D'un côté de cette cloison se vaporise le fluide de cycle introduit par le conduit 6 et évacué par le conduit 7. De l'autre côte se vaporise le second fluide de cycle introduit par le conduit 17 et évacué par le conduit 18. Les condenseurs peuvent aussi être intégrés dans une structure pratiquement identique, sauf que les circulations des fluides de cycle y auraient lieu en sens inverse (figure 3b, corps commun 38 séparé en deux par une cloison 39). La figure 4 représente, couve dEj indiqué, un cycle de pompe à chaleur, dans lequel le fluide de cycle reste constamment à l'état gazeux et circule en échange de chaleur avec d'une part liteau de la source froide, que l'on suppose être de l'eau de transport calorifique venant d'une centrale thermique, d'autre part liteau du circuit de chauffage de locaux, avec des écarts de température faibles et sensiblement constants. L'eau provenant de la centrale thermique, arrivant par le conduit 40 vers 500C, passe dans l'échangeur de chaleur a contre-courant gaz-eau 41 où elle se refroidit a 100c environ, cependant que le gaz de cycle se réchauffe de 5 C à 450C environ. L'eau refroidie est évacuée par le conduit 42. Le gaz de cycle détendu dans la turbine 43, est introduit par le conduit 44 dans l'échangeur 41. il passe de cet échangeur par le conduit 45 dans le compresseur 46, entrainé par l'arbre 47 mû par le moteur 48, et sur lequel est montée la turbine 43, ce qui permet dtutiliser le travail de détente de cette turbine. Le gaz de cycle recomprimé est envoyé par le conduit 49 à l'échangeur de chaleur à contre-courant gaz-eau 50, où il se refroidit de 90*C à 400C en échange de chaleur avec l'eau du circuit de chauffage de locaux introduite par le conduit 52, qui y est portée de 350C à 85eC environ, puis en est évacuée par le conduit 53. Le gaz de cycle refroidi est alors envoyé par le conduit 51 à la turbine 43 pour y être refroidi à nouveau. On voit que ltecart thermique dans les deux échangeurs à contre-courant est de 5iC, donc faible et constant. On peut également réaliser des régimes réduits de chauffage sans diminuer le rendement du cycle. il suffit de faire varier le débit pondéral de fluide thermo-dynamique de cycle, en réduisant parallèlement les débits d'eau dans les échangeurs. A cet effet, on prélève du fluide sur le cycle par la vanne 55 pour l'envoyer dans une capacité 54. Le fluide stocké dans la capacité 54 peut l'être sous forme gazeuse et nécessite alors l'usage d'un petit compresseur 56, le retour de fluide dans le circuit se faisant par un conduit 57 et une vanne 57A, fermée quand le compresseur 56 fonctionne. Le stockage dans la capacité 54 peut aussi être fait sous fonte liquide si l'on utilise pour fluide thermo-dynamique des gaz condensables tels que des hydro-carbures ou des hydro-carbures chlorofluorés.On peut ainsi maintenir les mêmes températures dans les échangeurs, et par suite le rendement du cycle thermo-dynamique, tout en réduisant la quantité de chaleur transmise de la source froide à la source chaude. Le cycle de la figure 5 est analogue à celui de la figure 4, à part le fait que le stockage de fluide servant à faire varier le débit pondéral de fluide de cycle est un stockage en phase liquide dans une capacité 60, reliée au circuit de fluide par un conduit 58 muni d'une vanne 59. Si lton désire réaliser un régime réduit de chauffage, on envoie dans le serpentin 61 disposé à l'intérieur de la capacité 60 un fluide de refroidissement de température inférieure à la température de liquéfaction du fluide de cycle sous sa pression à ltentree du compresseur 46. Ce fluide de cycle se liquéfie alors dans la capacité 60. On ferme la vanne 59 quand le régime désiré est atteint. Si on désire revenir à un régime de chauffage plus important, on rouvre la vanne 59 et envoie dans le serpentin 61 un fluide de chauffage qui provoque la vaporisation du fluide de cycle. Bien que les procédés et dispositifs qui viennent d'être décrits ci-dessus en référence au dessin paraissent préférables, on comprendra que diverses modifications peuvent leur être apportées sans sortir du cadre de l'invention, certaines opérations ou certains organes pouvant être remplacés par d'autres qui joueraient un rôle technique analogue. En particulier, on peut remplacer le procédé à deux étages de cycle fermé de fluide thermo-dynamique par des procédés à 3, 4 ou un nombre plus élevé d'étages, ce qui permet de réduire encore les écarts thermiques moyens des surfaces d'échange de chaleur. Le fluide thermo-dynamique peut être autre qu'un composé chlorofluoré, par exemple de l'ammoniac, ou un hydrocarbure. REVENDICATIONS 1/ Procédé de chauffage d'un fluide d'utilisation par échange indirect de chaleur avec un fluide de cycle comprimé, qui est ensuite détendu, puis ramené à une enthalpie supérieure par échange indirect de chaleur avec un fluide auxiliaire externe, à une température initiale notablement supérieure à la température du fluide de cycle détendu, caractérisé en ce que l'on réduit I'écaxt de température entre le fluide auxiliaire externe et le fluide de cycle en au moins un point de leur zone d'échange de chaleur à une valeur très inférieure à celle qui résulterait d'une vaporisation du fluide de cycle à pression constante en échange de chaleur avec le fluide auxiliaire externe en cours de refroidissement. 2/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un premier fluide de cycle est vaporisé (3, figure 1) par échange de chaleur avec le fluide auxiliaire externe, le premier fluide de cycle et la pression sous laquelle il est vaporisé étant tels que sa température de vaporisation soit relativement proche de la température initiale du fluide auxiliaire externe, puis en ce que le premier fluide de cycle est recomprimé (8) et amené en échange indirect de chaleur (10) avec le fluide d'utilisation, et en ce qu'au moins un deuxième fluide de cycle est vaporisé (14) par échange de chaleur avec le fluide auxiliaire refroidi par son échange de chaleur avec le premier fluide de cycle, avant d'être recomprimé (19) et amené en échange indirect de chaleur (21) avec le fluide d'utilisation, avant que ce dernier ne parvienne à échange indirect de chaleur avec le premier fluide de cycle. 3/ Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier et le deuxième fluide de cycle ont la même nature physique, le premier fluide circulant entre des niveaux de pression avant et après détente respectivement supérieurs à ceux du deuxième fluide. 4/ Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide de cycle passe en échange de chaleur, d'une part avec le fluide auxiliaire externe (41), d'autre part, avec le fluide d'utilisation (48), sans changement d'état, et en ce que sa détente est effectuée avec production de travail extérieur (43). 5/ Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que lton fait varier le débit de transfert calorifique du fluide auxiliaire extérieur au fluide d'utilisation, en constituant une réserve de fluide de cycle, pouvant être mise en communication avec le circuit de ce dernier ou séparé de celui-ci, et en transférant une partie du fluide de cycle du circuit dans la réserve lorsque l'apport calorifique nécessaire au fluide d'utilisation devient relativement faible, et en renvoyant au moins une partie du fluide mis en réserve dans le circuit lorsque l'apport calorifique nécessaire au fluide d'utilisation redevient plus élevé, tout en faisant varier corrélativement les débits de fluide auxiliaire extérieur et de fluide d'utilisation. 6/ Procédé selon la revendication 5, c ractérisé en ce que la réserve de fluide de cycle est realisee sous forme liquide, le prélèvement ou l'injection de fluide de cycle s'effectuant par prélèvement ou apport calorifique sur la réserve de fluide. 7/ Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu';i comprend un évaporateur (3) du premier fluide de cycle en échange indirect de chaleur avec le fluide auxiliaire externe, des moyens de compression (8) du premier fluide de cycle vaporisé, un liquéfacteur (10) du premier fluide de cycle recomprimé en échange indirect de chaleur avec le fluide d'utilisation, une vanne de détente (5) du premier fluide de cycle liquéfié, un évaporateur (14) du deuxième fluide de cycle en échange indirect de chaleur avec le fluide auxiliaire externe, des moyens de compression (19) du deuxième fluide de cycle vaporisé, un liquéfacteur (21) du deuxième fluide de cycle en échange indirect de chaleur avec le fluide d'utilisation, des moyens (13) pour faire parvenir le fluide auxiliaire externe de ltévaporateur du premier fluide de cycle à l'évaporateur du deuxième fluide de cycle, et des moyens (27) pour faire parvenir le fluide d'utilisation du liquéfacteur du deuxième fluide de cycle au liquéfacteur du premier fluide de cycle. 8/ Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de compression du premier fluide de cycle et du deuxième fluide de cycle sont réunis dans un même corps et entraînés par un moteur coSlun. 9/ Dispositif selon les revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les évapo- rateurs du premier et du deuxième fluide de cycle sont réunis dans une même enveloppe. 10/ Dispositif selon l'une des revendications 5 7, caractérisé en ce que les condenseurs du premier et du deuxième fluide de cycle sont réunis dans une meme enveloppe.