Brevet FR2319862A1 — publié le 19770225

La présente invention concerne un procédé pour dégivrer l'évaporateur d'une machine thermodynamique à fluide caloporteur, du genre pompe à chaleur ou machine frigorifique. Elle concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. On sait que, lorsque de telles machines utilisent comme source froide l'air atmosphérique, une partie de l'humidité de l'air se condense sur l'évaporateur en raison de sa basse température. Ce condensat se transforme rapidement en givre. l'accumulation de ce givre constitue une résistance thermique supplémentaire qui contrarie l'échange thermique et doit donc être éliminé. On a proposé divers procédés pour faire fondre périodiquement le givre, soit en provoquant un réchauffage de l'évapora- teur au moyen de résistances électriques soit en utilisant de l'air chaud pulsé sur celui-ci. Ces procédés ont l'inconvénient de nécessiter un apport d'énergie dont on ne récupère aucune contre-partie. Pour éviter cet inconvénient, on a proposé de faire circuler périodiquement dans ltévaporateur du fluide caloporteur chaud prélevé à la sortie du compresseur. Mais, dans les pompes à chaleur, un tel procédé diminue d'autant la quantité de chaleur disponible sur le condenseur. Dans les machines frigorifiques, on y trouve l'avantage que le refroidissement du condenseur s'en trouve facilité, mais on ne gagne rien sur la quantité de froid disponible sur 11 évaporateur. Un des buts de la présente invention est de réaliser un procédé de dégivrage de l'évaporateur qui, dans le cas d'une pompe à chaleur, n'absorbe aucune fraction de la chaleur fournie par la machine et, dans le cas d'une machine frigorifique, améliore la production de froid. Suivant l'invention, le procédé pour dégivrer un évaporateur de machine thermodynamique à fluide caloporteur, du genre pompe à chaleur ou machine frigorifique, cette machine comprenant en outre un compresseur aspirant dans l'évaporateur et refoulant dans un condenseur et des moyens pour détendre le fluide caloporteur à l'entrée de l'évaporateur, consiste à faire circuler périodiquement dans l'évaporateur du fluide caloporteur pendant une fraction prédéterminée du temps de fonctionnement de la machine, et il est caractérisé en ce qu'on prélève ce fluide caloporteur à la sortie du condenseur. Dans le cas d'une pompe à chaleur, la chaleur fournie par le condenseur ne subit donc aucun prélèvement. la chaleur consommée par le dégivrage a simplement pour effet de refroidir davantage le fluide caloporteur à son entrée dans l'évaporateur, dans la période qui suit immédiatement le dégivrage, et il s'ensuivra simplement un emprunt de chaleur plus grand à la source froide, ce qui est sans incidence économique. Dans le cas d'une machine frigorifique, l'augmentation de la chaleur fournie par le condenseur présente moins d'intérêt, mais le refroidissement du fluide caloporteur augmentera d'autant la quantité de froid fournie par l'évaporateur. Suivant une réalisation préférée du procédé, on règle la pression en amont du compresseur à une valeur suffisamment basse pour qu'aucune particule liquide du fluide caloporteur ayant participé au dégivrage ne soit introduite dans le compresseur, dans la période qui suit immédiatement le dégivrage. En effet, en fin de dégivrage, l'évaporateur est rempli de fluide caloporteur liquide au moment où il est remis en circuit avec le compresseur. la dépression créée en amont de ce dernier pourrait etre insuffisante pour vaporiser complètement ce fluide et des particules liquides pourraient être entraînées dans le compresseur, avec les conséquences dommageables qui en résulteraient. Un autre but de l'invention est de réaliser un dispositif de dégivrage permettant notamment d'appliquer le procédé qui vient d'etre décrit. Suivant une première réalisation de l'invention, applicable à une machine thermodynamique comprenant un évaporateur unique faisant partie dtun circuit principal comprenant en outre ua compresseur aspirant dans l'évaporateur et refoulant dans un condenseur, des moyens pour détendre le fluide caloporteur à l'entrée de l'évaporateur et un réservoir tampon placé à la sortie du condenseur, le dispositif de dégivrage est caractérisé en ce qu'il comprend un circuit auxiliaire fermé comprenant notamment l'évaporateur pour faire circuler dans ce dernier du fluide caloporteur prélevé à la sortie du condenseur, et des moyens de commutation pour mettre en service périodiquement ce circuit auxiliaire. Dans ces conditions, l'évaporateur est mis alternativement en fonctionnement normal en série avec le condenseur, et en dégivrage par circulation de fluide caloporteur. Suivant une réalisation préférée de l'invention, le dispositif comprend un réservoir auxiliaire commun aux deux circuits précités et situé en aval du réservoir tampon. De cette façon, la circulation fermée de dégivrage intéresse uniquement ce réservoir auxiliaire et le refroidissement subi par le fluide caloporteur dans cette opération n'affecte pratiquement pas le réservoir tampon, où la tension de vapeur varie peu, de sorte que la pression en aval du compresseur est sensiblement constante, ce qui facilite sa remise en marche à la fin du dégivrage. Suivant une autre réalisation de l'invention, applicable à une machine thermodynamique comprenant plusieurs évaporateurs montés en parallèle, le dispositif de dégivrage est caractérisé en ce qu'il comprend un circuit auxiliaire pour faire circuler dans au moins l'un des évaporateurs du fluide caloporteur prélevé à la sortie du condenseur et des moyens pour commuter sélectivement et périodiquement le ou les évaporateurs précités du circuit principal au circuit auxiliaire. On a alors constamment un certain nombre d'évaporateurs en service normal et les autres en dégivrage. D'autres particularités de l'invention ressortiront encore de la description détaillée qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs : La figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif conforme à une première réalisation de l'invention. La figure 2 est une représentation schématique d'un dispositif conforme à une seconde réalisation de l'invention. En wférence à la figure 1, une machine thermodynamique comprend un circuit principal fermé 1. Ce circuit comprend luimême, reliés en série, un compresseur 2 dont le refoulement est relié à l'entrée d'un condenseur 3. La sortie du condenseur 3 débouche dans un réservoir tampon 4 à la suite duquel on trouve un réservoir auxiliaire 5 monté de manière que sa plus grande dimension-soit disposée suivant la verticale. Une sortie 6 du réservoir 5, placée au voisinage du point bas de ce réservoir, communique, par l'intermédiaire d'une canalisation 7, avec un collecteur d'entrée 8 d'un évaporateur 11. Sur la canalisation 7 est monté un organe de détente 12 asservi à la pression aval, de manière à faire régner dans l'évaporateur 11 une pression prédéterminée. Enfin un collecteur de sortie 13 de l'évaporateur 11 est relié par une canalisation 14 à l'aspiration du compresseur 2. La canalisation 14 est munie d'un organe de détente 15 asservi à la pression aval, de manière à faire régner à l'aspiration du compresseur 2 une pression prédéterminée. Des moyens sont en outre prévus pour prélever de la chaleur au condenseur 3 et peuvent consister en une circulation. de fluide entrant en 16 dans le condenseur et sortant en 17. De même, des moyens non représentés sont prévus pour assurer une circulation d'air sur la surface d'échange de l'évaporateur 11, de manière à ysrélever du froid. La machine thermodynamique comprend encore un circuit auxiliaire fermé 18. Ce circuit comprend une canalisation 19 qui part d'une sortie 21 du réservoir auxiliaire 5, située au voisinage de la base de ce réservoir pour aboutir au collecteur d'entrée 8 de l'évaporateur 11. Une autre canalisation 19arelie le collecteur de sortie 13 de cet évaporateur à une entrée 22 du réservoir auxiliaire 5 située au voisinage de la partie supérieure de ce réservoir. Sur la canalisation l9abst prévu un organe de circulation 23 disposé pour commander dans le circuit auxiliaire 18 une circulation dans le sens de 22 vers 13 suivant la flèche F. Des moyens de commutation sont prévus pour mettre en série l'évaporateur 11 soit sur le circuit principal t, soit sur le circuit auxiliaire 18. Ces moyens comprennent, dans 11 exemple décrit, des robinets obturateurs 24, 25 respectivement sur les canalisations 7 et 14, et des obturateurs 26, 27 respectivement sur les canalisations 19 et Sa. Ces obturateurs sont agencés de telle manière que les obturateurs 24, 25 soient ouverts quand les obturateurs 26, 27 sont fermés et inversement. En fonctionnement normal, un fluide caloporteur, qui peut autre d'un tppe courant, circule dans le circuit principal 1 sous l'effet de la force motrice développée par le compresseur 2, dans le sens où les éléments de ce circuit ont été décrits. Les obturateurs 24 et 25 sont alors ouverts et les obturateurs 26 et 27 fermés. Sous 11 effet de la compression, ce fluide se condense dans le condenseur 3, en même temps qu'il a tendance à s'échauffer, mais cet échauffement est au moins en partie annulé par le prélèvement de pâleur précité. Dans les machines frigorifiques, ce prélèvement est une simple dissipation, alors que dans les pompes à chaleur, il consiste en une récupération de chaleur. Puis le liquide ainsi partiellement refroidi traverse les réservoirs 4 et 5 et, par la canalisation 7, parvient à I1 organe de détente 12 et à ltévaporateur 11 où il se vaporise en produisant du froid qui est récupéré dans le cas d'une machine frigorifique, ou dissipé dans le cas d'une pompe à chaleur. Le fluide caloporteur ayant cédé au moins une partie de son froid est finalement aspiré par le compresseur 2. Comme il a été dit plus haut, l'agent de prélèvement du froid-sur l'évaporateur est de l'air atmosphérique qui, comme on sait, n1 est jamais exempt de vapeur d'eau. I1 s'ensuit un givrage progressif de l'évaporateur qui tend à contrarier l'échange thermique. Quand l'épaisseur de givre devient prohibitive, on arrête le compresseur, on ferme les obturateurs 24 et 25, on ouvre les obturateurs 26 et 27, et on met en marche organe de circulation 23. te fluide caloporteur liquide partiellement refroidi contenu dans le réservoir auxiliaire 5 circule alors dans le circuit auxiliaire 18 et sa température est suffisante pour provoquer le dégivrage de l'évaporateur 11. Au cours de cette opération, ledit liquide se refroidit progressivement, mais le liquide contenu dans le réservoir tampon 4 ne participe pas à cette circulation et conserve une température sensiblement constante, donc une tension de vapeur également constante. Une fois le dégivrage terminé, on inverse la position des obturateurs 24 à 27, on arrente l'organe de circulation 23 et on remet en marche le compresseur 2. Cette remise en marche est facilitée par le fait que, comme il a été dit, la pression en aval de ce compresseur a été naintenue sensiblement constante. Au moment de la remise en marche du compresseur 2, l'évaporateur 11 est rempli de fluide caloporteur liquide, et la dépression créée en amont du compresseur peut se révéler insuffisan te pour vaporiser entièrement ce liquide avant son entrée dans le compresseur, au risque d'endommager ce dernier. Grâce à l'organe de détente asservi 15, on ménage en amont du compresseur une pression suffisamment basse pour que lton soit sir que tout le fluide entrant dans le compresseur est à l'état de vapeur. On voit qu'à aucun moment le dégivrage par le procédé conforme à l'invention ne fait intervenir un apport d'énergie extérieure, ni même une énergie prélevée sur celle produite par la machine, puisque le fluide réchauffeur a déjà cédé sa chaleur dans le condenseur 3. La seule conséquence thermique du dégivrage est, pendant la période qui suit immédiatement le dégivrage, d'amener à l'organe de détente 12 du fluide caloporteur à une température un peu plus basse qu'en fonctionnement normal. I1 en résulte une augmentation momentanée de la production de froid, ce qui ne présente pas d'inconvénient dans les pompes à chaleur, où le froid est un sous-produit à évacuer, et ce qui constitue un avantage dans les machines frigorifiques, où l'on réincorpore ainsi la chaleur latente du givre dans la production de froid de la machine. I1 peut être alors utile de surdimensionner légèrement la surface d'échange de l'évaporateur 11. L'avantage énergétique et économique de la machine apparattra mieux en considération de l'exemple numérique ciaprès. Envisageant le cas d'une pompe à chaleur d'un type courant fonctionnant dans des pays européens où l'humidité relative de Itair atmosphérique est voisine de 90%o par temps froid, l'évaporateur est maintenu a -100C., L'air y entre à SOC, avec une humidité absolue de 4,2 kg d'eau par tonne d'air sec. Ta surface d'échange étant calculée pour que la température de sortie soit d'environ -50C, l'humidité ahsolue à la sortie est alors d'environ 2,2 kg par tonne. Chaque tonne -d'air traversant ltévaporateur abandonne 3,3 thermies de chaleur sensible et 2 kg d'eau qui se congèle. Le compresseur apportant une énergie mécanique que l'on peut évaluer à 1,3 thermie par tonne d'air, la chaleu-r théoriquement disponible sur le condenseur est donc de 4,6 thermies. La fusion de la glace accumulée sur l'évaporateur exige o,i6 thermie par tonne d'air. Par le procédé connu de l'inversion de cycle, on peut admettre que le condenseur prélève 0,13 thermie au fluide qu'il chaufe-en marche normale, et que le compresseur fournit, sous forme mécanique, 0,03 thermie pour obtenir les 0,16 thermies nécessaires. La quantité de chaleur utile est donc diminuée de 0,13 soit 2,8 , alors que l'énergie mécanique consommée est augmen4,6 0,03 tée de 1,3' > soit 2,3%. Au total, le procédé de dégivrage connu décrit ci-dessus, et appelé en général procédé par inversion de cycle, entraîne une perte d'énergie de plus de 5%, sans même tenir compte de déperditions annexes inévitables. Le procédé suivant l'invention, qui évite ces pertes, apporte donc un gain énergétique de plus de 5%. On peut eneft et tenir pour négligeable l'énergie consommée par-l'organe de circulation 23. Cet organe de circulation peut d'ailleurs être supprimé, à condition que le circuit auxiliaire 18 soit disposé de manière à pouvoir fonctionner par effet de thermosiphon, ou par effet de paroi froide. On notera par ailleurs que, bien que le fluide caloporteur utilisé au dégivrage ait déjà cédé sa chaleur utile, il est encore à une température de l'ordre de 25oC, ce qui permet un dégivrage relativement rapide. On va maintenant décrire, en référence à la figure 2, une seconde réalisation du dispositif conforme à l'invention. Dans cette réalisation, le circuit principal 1 comprend encore un compresseur 2, un condenseur 3, un réservoir-tampon 4 et une canalisation 7. Mais l'installation comprend ici deux évaporateurs 11a, 11b dont les collecteurs d'entrée respectifs 8a, 8b sont reliés en parallèle sur la canalisation 7 par l'intermédiaire d'un robinet à trois voies 31 agencé pour permettre de mettre alternativement les évaporateurs 11a et 11b en circuit sur le circuit principal 1 grace à des canalisations respectives 32, 33. Un robinet à trois voies 36 est disposé pour achever la mise des évaporateurs 11a et 11b alternativement en circuit sur le circuit principal 1, par l'intermédiaire de canalisations respectives 34, 35 reliées aux collecteurs de sortie 13a, 13b des évaporateurs. Le circuit principal I comprend encore des organes de détente asservis 12 et 15 qui jouent le même r81e que dans la réalisation précédente. Le circuit auxiliaire 18 comprend une canalisation 37 branchée sur la canalisation 7 par l'intermédiaire d'un robinet à trois voies 38 à réglage progressif de ses orifices. La canalisation 37 est reliée aux collecteurs respectifs 13a et 13b par des canalisations 39, 4l, de façon alternative grâce à un robinet à trois voies 42. Deux canalisations 43, 44 relient les collecteurs Sa, 8b à une canalisation 45 par l'intermédiaire d'un robinet à trois voies 46. La canalisation 45 rejoint la canalisation 7 du circuit principal 1 au point 47 en aval du robinet 38. Les quatre robinets 31, 36, 42 et 46 sont agencés de manière à être manoeuvrés simultanément pour mettre l'un des évaporateurs en circuit sur le circuit principal 1, et mettre en même temps l'autre en circuit sur le circuit auxiliaire 18. En fonctionnement, on règle les ouvertures du robinet réglable 38 de manière qu'une fraction prédéterminée du débit total de fluide caloporteur passe par le circuit auxiliaire 18 pour aller dégivrer celui des évaporateurs qui est en circuit sur ce circuit 18. On peut parfaire le réglage de cette répartition en disposant entre le robinet 38 et le point de jonction 47 un organe déprimogène d'un type connu. La répartition précitée des débits est calculée de manière que le temps de dégivrage de l'évaporateur branché sur le circuit 18 soit sensiblement égal au temps de givrage de l'autre évaporateur. Quand l'évaporateur en service est givré, on commute les robinets 31, 46, 42 et 36 pour le faire passer en dégivrage. On obtient ainsi une machine thermodynamique fonctionnant sans interruption et présentant les mêmes avantages énergétiques que la réalisation précédemment décrite, ces avantages représentant le but essentiel de l'invention tel qu'énoncé plus haut. Les détails de réalisation qui n'ont pas été décrits relèvent de la technologie courante du froid et sont à la portée de l'homme de l'art. il est évident que l'invention ne se limite pas aux réalisations décrites, et que de nombreuses variantes peuvent se concevoir sans sortir de son cadre, notamment celles évoquées au cours de la description. On peut également concevoir des machines analogues à celle de la figure 2, mais comportant plus de deux évaporateurs dont les uns seraient en dégivrage alors que les autres seraient en fonctionnement normal. REVENDICATIONS . 1. Procédé pour dégivrer un évaporateur de machine thermodynamique à fluide caloporteur, du genre pompe à chaleur ou machine frigorifique, cette machine comprenant en outre un compresseur aspirant dans l'évaporateur et refoulant dans un condenseur et des moyens pour détendre le fluide caloporteur à l'entrée de l'évaporateur, dans lequel on fait circuler périodiquement dans l'évaporateur du fluide caloporteur chaud pendant une fraction prédéterminée du temps de fonctionnement de la machine, caractérisé en ce qu'on prélève le fluide caloporteur à la sortie du condenseur. 2. Procédé conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'on règle la pression en amont du compresseur à une valeur suffisamment basse pour qu'aucune particule liquide du fluide caloporteur ayant participé au dégivrage ne soit introduite dans le compresseur, cette pression réglée étant nettement inférieure à la tension de vapeur dudit fluide. 3. Dispositif pour dégivrer l'évaporateur unique d'une machine thermodynamique du genre pompe à chaleur ou machine frigorifique à fluide caloporteur, et notamment pour appliquer un procédé conforme à la revendication 1, cette machine étant essentiellement constituée d'un circuit principal dudit fluide comprenant notamment un compresseur aspirant dans cet évaporateur unique et refoulant dans un condenseur, des moyens pour détendre ce fluide à l'entrée de I'évaporateur, et un réservoir tampon placé à la sortie du condenseur, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit auxiliaire fermé comprenant notamment l'évaporateur pour faire circuler dans ce dernier du fluide caloporteur prélevé à la sortie du condenseur, et des moyens de commutation pour mettre en service périodiquement ce circuit auxiliaire. 4. Dispositif conforme à la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend un réservoir auxiliaire commun aux deux circuits précités et situé en aval du réservoir tampon. 5. Dispositif conforme à la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour assister la circulation dans le circuit auxiliaire quand ce dernier est en service. 6. Dispositif pour dégivrer les évaporateurs d'une machine thermodynamique du genre pompe à chaleur ou machine frigorifique à fluide caloporteur, et notamment pour appliquer un procédé conforme à la revendication 1, cette machine étant essentiellement constituée d'un circuit principal comprenant notamment un compresseur aspirant dans lesdits évaporateurs montés en parallèle et refoulant dans un condenseur, des moyens pour détendre ce fluide à l'entrée des évaporateurs, et un réservoir tampon placé à la sortie du condenseur, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit auxiliaire pour faire circuler dans au moins l'un des évaporateurs du fluide caloporteur prélevé à la sortie du condenseur, et des moyens pour commuter sélectivement et périodiquement le ou les évaporateurs précités du circuit principal au circuit auxiliaire. 7. Dispositif conforme à l'une des revendications 3 à 6, pour appliquer un procédé conforme à la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour régler à une pression prédéterminée le fluide caloporteur à entrée du compresseur.