Brevet FR2338465A1 — publié le 19770812

La présente invention se rapporte aux procédés de chauffage et de réfrigération et aux dispositifs pour leur lise en oeuvre du type comprenant un circuit fermé de fluide frigorigène sur le parcours duquel sont disposés un compresseur frigorifique, un organe de détente et deux échangeurs de chaleur fonctionnant en condenseur et/ou en évaporateur du fluide frigorigène. On sait que l'on peut reporter sur un diagramme enthalpique, l'évolution de fluide frigorigène au cours de son passage dans les différents organes ci-dessus mentionnés : le fluide à l'état de vapeur entre dans le compresseur à basse pression , en sort à haute pression, avec augmentation d'enthalpie, se refroidit puis se condense selon une isotherme haute pression dans le condenseur avec diminution d'enthalpie, est détendu selon une isenthalpe par organe de détente, se vaporise selon une isotherme basse pression dans l'évaporateur avec accroissement d'enthalpie et pénètre dans le compresseur pour un nouveau cycle. Ltaugsentation d'enthalpie dans le compresseur est procurée par un travail mécanique ; l'augmentation d'anthalpie dans l'évaporateur est procurée par un échange thermique, ctest-à-dire que l'énergie interne fournie au fluide frigorigène est prélevée à un milieu, appelé source chaude. La diminution d'enthalpie correspond à une perte d'énergie interne du fluide frigorigène, cette énergie étant transmise à un milieu appelé source froide. La condensation selon une isotherme haute pression advient à une température supérieure à la température d'évaporation selon une isotherme basse pression, ceci en raison de la loi physique qui relie température et pression dans les fluides en cours de transformation. Il en résulte que le fluide frigorigène condensé introduit dans l'organe de détente est à une température supérieure à la température d'évaporation. Il est connu de façon notoire dans le domaine considéré qu'une action de refroidissement du fluide condensé avant introduction dudit fluide dans l'organe de détente contribue à augmenter le rendement du cycle en particulier au niveau du condenseur ; en effet, le refroidissement du liquide condensé correspond à une diminution complémentaire de son enthalpie, et par conséquent à une augmentation de 1 'énergie transmise à la source froide à travail mécanique sensiblement constant.Le rapport de l'énergie transmise sous forme de chaleur à la source froide au travail mécanique fourni au compresseur est appelé parfois "rendement condenseur"0 On peut également caractériser les performances d'un dispositif de réfrigération par le rapport de l'énergie calorifique cédée à la source froide, exprimée par exemple en watts heure à l'énergie mécanique fournie au compresseur, expri- mée en mimes unités. Ce rapport est appelé "coefficient de performance". La notion de coefficient de performance est principalement utilisée dans les dispositifs de réfrigération connus sous l'appellation de pompes à chaleur. Le coefficient de performance est toujours supérieur à l'unité. On conçoit donc que dans les dispositifs du type mention né-utilisés de façon temporaire ou permanente en pompes à chaleur, il y ait un intérêt économique évident à augmenter le coefficient de performance. On a proposé en particulier pour atteindre ce but, d'accrottre le refroidissement du liquide frigorigène entre L'étampe de condensation et l'étape de détente. Ceci peut titre obtenu par exemple en faisant agir la source froide sur le liquide condensé, pour autant que ladite source froide soit disponible à une température substantiellement inférieure à la température de condensation. On peut également faire agir le fluide à basse température avant introduction dans le compresseur sur le fluide condensé avant détente en provoquant un échange thermique entre lesdits fluides au moyen d'un échangeur thermique. L'opération correspondante est généralement appelée sous refroidissement, ceci quel que soit le moyen employé. Le sous refroidissement de fluide frigorigène condensé par action de la source froide peut rencontrer certaines limites en particulier lorsque la source froide est constituée par un fluide caloporteur circulant dans un circuit fermé à l'intérieur duquel on désire maintenir une température moyenne aussi élevée que possible, ce qui impose une température de retour du fluide caloporteur relativement voisine de la température de condensation du fluide frigorigène. Le sous refroidissement du fluide frigorigène par échange thermique avec les vapeurs froides en provenance de l'évapora- teur rencontre également certaines limites du fait que ce procédé entrasse une élévation de la température des vapeurs aspirées par le compresseur, appelée également surchauffe.On sait que la surchauffe à l'aspiration du compresseur conditionne la température des vapeurs de refoulement, celle-ci étant limitée pour des raisons de longévité du compresseur frigorifique, en particulier lorsqu'il s'agit d'un compresseur de type hermétique. Ea effet, les fluides frigorigènes peuvent donner naissance à température élevée à des acides qui attaquent les parties métalliques du circuit frigorigène et entraient soit un blocage mécanique du compresseur, soit une destruction de l'isolant des bobinages du moteur électrique d'entratnement dudit compresseur. On peut toutefois envisager de suralimenter ltévapora- teur en fluide frigorigène de façon à faire fonctionner l'échangeur thermique vapeur/liquide en évaporateur, ce qui permet de maintenir la surchauffe à une valeur faible. La présente invention a pour but de permettre d'augren- ter le coefficient de performance dtun dispositif de réfrigération indépendamment des moyens connus ci-dessus mentionnés et en conJugaison ou non avec lesdits moyens. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de chauffage et de réfrigération selon lequel on fait circuler un fluide frigorigène successivemat dans un compresseur, un condenseur, un détendeur et un évaporateur, le fluide circulant dans l'évaporateur etant soumis à l'action d'une source chaude, procédé caractérisé en ce que l'on fait agir la source chaude avant introduction de ladite source dans ltévaporateur sur le fluide frigorigène condensé après sortie dudit fluide du condenseur et avant introduction dudit fluide dans le détendeur, moyennant quoi on obtient simultanéaent un effet de sous refroidissénent du fluide condensé et un effet de réchauffement de la source chaude. L'invention a également pour objet un dispositif de chauffage et de réfrigération pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus comprenant un compresseur, un condenseur, un détendeur et un évaporateur parcourus par un fluide frigorigène, le fluide circulant dans ledit évaporateur étant soumis à l'action d'une source chaude, dispositif caractérisé en ce qut il comporte un échangeur thermique fluide frigorigène condensé/source chaude inséré sur le circuit de fluide frigorigène entre le condenseur et le détendeur et soumis à l'action de la source chaude. D'autres caractéristiques du procédé selon l'invention apparattront au vu de la description qui suit donnée à titre d'exemple en référence aux dessins annexés sur lesquels La Fig. i représente un diagranue enthalpique illustrant un cycle frigorifique avec sous refroidissement du fluide frigorigène condensé La Figez 2 représente schématiquement un circuit frigorifique selon l'art antérieur La Fig. 3 représente schématiquement une première variante de réalisation d'un circuit frigorifique selon l'invention; La Fig. 4 représente schématiquement une seconde variante de réalisation d'un circuit frigorifique selon l'invention ;et La Fig. 5 représente une vue de détail d'un dispositif de chauffage thermodynamique selon l'invention. Cn a représenté sur la figure 1 un cycle frigorifique avec sous refroidissement reporté sur un diagramme enthalpique classique portant en abscisses les enthalpies en KcallKg et en ordonnées les pressions absolues. On sait que les changements d'état du fluide frigorigène peuvent être repérés sur un tel diagramme par une courbe de saturation liquide/vapeur.Dans la région comprise dans la concavité de cette courbe, le fluide est à l'état biphasique (condensation ou évaporation) ; à droite de la courbe dans le domaine considéré, situé en dessous de la température critique pour laquelle le fluide devient incondensable, le fluide est à l'état gazeux ; à gauche de la courbe; le fluide est à l'état liquide.Suree diagramme, le cycle du fluide frigorigène peut entre schématiquement représenté par le. contour A B C C1 C2. D D1 A. On se reportera à la figure 2 pour mieux comprendre l'évolution du fluide. On a représenté sur la figure 2, un circuit frigorifique conventionnel comprenant un compresseur 1, un condenseur 2 soumis à l'action d'une source froide SF, un échangeur 3, un détendeur 4 et un évaporateur 5 soumis à 11 action d'une source chaude SC. L'état du fluide à l'entrée du compresseur 1 est représenté sur le diagramme de la figure 1 par le point A (vapeur saturée).La vapeur est comprimée jusqu'en B et sort par conséquent du compresseur à l'état fortement surchauffé ; elle se refroidit dans le condenseur sous l'action de la source froide jusqu'à atteindre la courbe de vapeur saturante puis se condense à température constante jusqu'à transformation complète en liquide saturé en C ; ce liquide est légèrement sous refroidi par la source froide 3usqu'à sa sortie du Qndenseur en C1, puis fortement sous refroidi dans l'échangeur thermique 3 jusqu'au point C2 corres pondant à l'introduction dans le détendeur 4 (détente C2D). Le fluide revient alors à l'état biphasique et s'évapore dans l'évaporateur 5 sous l'action de la source chaude SC. Dans le cas dlespèce, loalimentation en liquide est surabondante (évaporateur dit en régime noyé) de sorte que l'évaporation n'est pas complète, le fluide sortant à l'état biphasique de l'évapo- rateur (point D1) ; l'évaporation est achevée dans l'échangeur thermique 3 (ce qui autorise une action substantielle de sous refroidissement) et le fluide est réintroduit dans le compresseur pratiquement à l'état saturé en A.La différence d'enthalpie représentée sur le diagramme de la figure 1 par le segment CI C2 est égale à la différence d'enthalpie représentée par le segment D7A et correspond à l'échange thermique entre fluide et vapeur dans l'échangeur 3. Bien entendu, au cas où l'évaporateur n1 est pas suralimenté en fluide frigorigène, le point D1 est situé pratiquement sur la courbe de vapeur saturante ou meme au-delà, c'est-à-dire dans la zone de vapeurs surchauffées ; dans ce cas l'emploi d'un échangeur thermique tel que 3 présente moins dtintérzet car le fluide ne possède plus de chaleur latente, de sorte que l'effet de sous refndissement est moins accentué ; en outre on augmente la surchauffe des vapeurs introduites dans le compresseur ; le cas de fonctionnement correspondant est en particulier celui où lrévaporateur est alimenté par un détendeur thermostatique con trouant la surchauffe des vapeurs à la sortie de l'évaporateur. On a représenté sur la figure 5 une première variante de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Le circuit frigorifique représenté figure 3 comprend les mimes organes que le circuit représenté figure 2 et décrit dans les passages afférents; ces organes ont été repérés par les mimes numéros de référence : compresseur 1, condenseur 2, échangeur thermique 3, détendeur 4, évaporateur 5. Le condenseur est soumis à l'action de la source froide SF, en l'occurence de l'eau, et l'évaporateur à celle de la source chaude SC, en lFccurence de l'air.Entre le condenseur 2 et le détendeur 4 on a disposé son échangeur de chaleur 6, par exemple du type comprenant un réseau de tubes parcourus par le fluide frigorigène condensé, des ailettes étant serties et/ou brasées sur ledit tube. L'échangeur 6 est disposé dans le flux d'air en amont de l'évaporateur 5. L'échangeur 3 est disposé sur la branche liquide du circuit de fluide frigorigène entre l1échan- geur 6 et le détendeur 4. Le fonctionnement du dispositif de réfrigération décrit plus haut en référence à la figure 2 demeure inchangé, à l'action de l1échangeur 6 près.En effet le fluide frigorigène condensé sortant du condenseur 2 est soumis à l'ac- tion de la source chaude SC, action refroidissante en l'occurence car l'échangeur 6 est disposé en amont de l'organe de détente par rapport au sens de circulation du fluide frigorigène. A titre dtexple la source chaude est de l'air à 20ex, alors que le fluide condensé se trouve à une température de 500C. L'action de l'échangeur thermique 6 se traduit par un refroidissement du fluide condensé et un réchauffement de la source chaude.Le refroidissement du fluide condensé est poursuivi dans l'échangeur 3, le résultat global étant simultanément un sous refroidissement total plus important que dans le cas de l'utilisation de l'échangeur 3 seul et un accroissement du potentiel énergétique de la source chaude. L'augmentation du degré de sous refroidissement permet corme on l'a vu plus haut d'augmenter le coefficient de performance du dispositif. L'accroissement de la température de la source chaude permet à production frigorifique constante de diminuer la fréquence des opérations de dégivrage de ltévapo- rateur ou le cas échéant de supprimer ces opérations.En effet, si l'air est introduit plus chaud dans l'évaporateur, il en ressort généralement à production frigorifique constante moins froid, ce quidiDnue la probabilité de formation de givre. on a représenté sur la figure 4 une seconde variante de réalisation d'un dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Dans ce mode de réalisation, le circuit de fluide frigorifique est dépourvu d'un échangeur liquide/vapeur tel que repéré par la référence 3, figure 3. Â ceci près, le circuit de fluide est identique au circuit représenté figure 3 et comprend les mimes organes repérés par des numéros de référence identiques, à savoir : compresseur 1, condenseur 2, détendeur 4, évaporateur 5, échangeur fluide frigorigène condensé/source chaude 6. L'échangeur 6 est interposé entre le condenseur 2 et le détendeur 4 et est constitué en l'occurenceper une épingle 7 du circuit évaporateur 5, le détendeur 4 étant intercalé entre l'épingle 7 et les autres épingles 8 dudit évaporateur. L'épingle 7 et les épingles 8 sont thermiquement solidaires d'ailettes communes 9. Le fonctionnement du dispositif est comparable au fonctionnement décrit en référence au dispositif représenté figure 3, à ceci près que le sous refroidissement du fluide frigorigène condensé en aval ducondenseur est uniquement procuré par l'action ae la source chaude SC sur le fluide condensé circulant dans l'épingle 7 ; cette épingle étant disposée dans l'ambiance relativement froide de l'évaporateur, l'action de sous refroidissement est plus intense que dans la variante d'échangeur 6 représentée figure 3 : simultanément l'inSeraction sur la température moyenne de la source chaude dans l'évaporateur est plus accentuée, de sorte que la température de sortie de ladite source, en ltoc- curance l'air peut etre plus élevée que dans la variante représentée figure 3. La variante représentée figure 4 présente l'avantage de ne pas nécessiter l'investissement supplémentaire correspondant à la fabrication et la mise en place d'un échangeur indépendant en effet, l'opération de fabrication de l'évaporateur 2 englobe celle de l'échangeur 6, et ne nécessite simplement que le branchement d'un circuit externe aux ailettes et adapté à l'PHmenta- tion particulière préconisée. on a représenté sur la figure 5 une vue latérale en coupe d'un dispositif de réfrigération selon l'invention. Dans cette variante, le circuit de réfrigération comprend un échangeur fluide frigorigène/source chaude agencé de façon externe à l'éva- porateur, comme dans le dispositif représenté figure 3. Le dispo situé de réfrigération constitue une pompe 'à chaleur pour le chauffage d'un logement et comprend un caisson 1 muni d'une entrée d'air inférieure 2 reliée à des conduits de ventilation 3 et d'une sortie d'air 4 reliée par un conduit thermiquement isolé 5 à un ventilateur centrifuge 6.Les conduits de ventilation 3 débouchent sur des prises d'air 7 et 8 prélevant de l'air par exemple en salle de bain et dans les lieux d'aisance et une prise d'air g intégrée à une hotte de cuisine 10. Le ventilateur 6 est disposé en combles ou en toiture, ou encore à ltextérieur du logement. A l'intérieur du caisson I sont disposés un compresseur frigorifique Il de type hermétique, un condenseur coaxial à contre courant 12, un détendeur 13, un évaporateur à ailettes 14, une bouteille d'aspiration de type connu permettant une séparation des phases liquide/vapeur du fluide frigorigène 15, et un échangeur 16. Le caisson contient également une pompe de circulation à eau 17 et un vase d'expansion non représenté. Cette pompe alimente un ré eau de chauffage sur le parcours duquel sont disposés des corps de chauffe constitués par des convecteurs à eau 18, 19.On comprend donc que l'ensemble de l'installation repré senté constitue simultanément un appareillage de renouvellement de l'air du logement et un système de chauffage central à eau chaude, les calories nécessaires au chauffage étant prélevées sur l'air extrait du logement, cet air constituant la source dite chaude. L'eau circulant dans le réseau constitue la source dite froide. Le mode de fonctionnement du dispositif représenté est le suivant : 1 'air aspiré en permanence dans le logement par les prises d'air 7, 8, 9 est introduit dans le caisson 1 en dessous du compresseur à une température voisine de la température ambiante, soit environ 2O0C. L'air circule entre le compresseur Il et le condenseur 12 en refroidissant au passage ledit compresseur puis passe dans l'échangeur 16, entre dans l'évaporateur 14 et sort refroidi par le conduit 5. L'air froid est évacué de façon continue vers l'extérieur du logement par le ventilateur 6. Le fluide frigorigène circule en circuit fermé dans un circuit interne au caisson ; il pénètre à l'état de vapeur froide dans le compresseur 11, en ressort à l'état de vapeur surchauffée et pénètre dans le condenseur 12 à l'intérieure duquel il se condense. il ressort à l'état condensé du condenseur à une température voisine de la température de retour d'eau, soit par exemple 5O0C et pénètre dans l'échangeur à ailettes 16 ; il en ressort substantiellement refroidi du fait de l'action de la source chaude qui est, rappelons-le, au voisinage de 200C, soit à une température nettement inferieure à celle du fluide condensé.La chaleur sensible prélevée sur le fluide frigorigène est cédée à l'air avant entrée de celui-ci dans l'évaporateur 14, de sorte que l'on obtient sivaultanément une température de source chaude supérieure à la température de l'air prélevé dans le logement et une température de fluide frigorigène à l'entrée du détendeur inférieure à la température de retour d'eau du circuit de chauffage central. Le fluide frigorigène est alors injecté dans l'évaporateur et en ressort à 1'état de vapeur ou à l'état biphasique. Le fluide est alors introduit dans le bouteille d'aspiration 15, qui fonctionne en séparateur de phase, puis est réintroduit à l'état de vapeur dans le compresseur 11. La bouteille d'aspiration 15 peut constituer un échangeur de chaleur liquide/vapeur, en particulier dans le cas où le fonctionnement du cycle de fluide frigorigène implique une suralimentation de l'évaporateur. En ce cas, le fluide introduit dans la bouteille d'aspiration véhicule dela chaleur latente ; cette chaleur latente peut être absorbée par du fluide condensé pour autant que l'on fasse circuler le fluide condensé dans un serpentin interne à la bouteille. On obtient alors un effet de sous refroidissement complémentaire à effet procuré par 11 échangeur 16 et de nature identique au sous refroidissement procuré par ltéchangeur repéré par la référence 3, figure 3. Afin d'améliorer l'efficacité de l'échangeur 16 dans ce mode de fonctionnement, on préconise de disposer la bouteille en aval dudit échangeur par rapport au sens de circulation du fluide condensé. Le procédé selon l'invention et les dispositifs ae mise en oeuvre trouvent leur application dans les dispositifs de chauffage thermodynamique tels que les pompes à chaleur, réversibles ou non, et permet en particulier d'augmenter leur coefficient de performance calorifique et par conséquent d'améliorer leur bilan économique d'exploitation. Revendications 1. Procédé de chauffage et de réfrigération selon lequel on fait circuler un fluide frigorigène successivement dans un copresseur, un condenseur, un détendeur et un évaporateur, le fluide circulant dans 1'évaporateur étant soumis à 1'action d'une source chaude, procédé caractérisé en ce que l'on fait agir la source chaude avant introduction de ladite source dans ltévapo- rateur sur le fluide frigorigène condensé après sortie dudit fluide du condenseur et avant introduction dudit fluide dans le détendeur, moyennant quoi on obtient simultanément un effet de sous-refroidissement du fluide condensé et un effet de réchauf fement de la source chaude. 2. Dispositif pour mettre en oeuvre le procédé suivant la revendication I comprenant un compresseur, un condenseur, un détendeur et un évaporateur parcourus par un fluide frigorigène, le fluide circulant dans ledit évaporateur étant soumis à l'action d'une source chaude, dispositif caractérisé en ce qu'il comporte un échangeuriliermique fluide frigorigène condensé/source chaude inséré sur le circuit de fluide frigorigène entre le condenseur et le détendeur et soumis à l'action de la source chaude. 3. Dispositif selon la revendication 2 comprenant un organe d'échange entre le fluide frigorigène à la sortie de li vaporateur et le fluide frigorigène à la sortie du condenseur, dispositif caractérisé en ce qu'il comporte un échangeur thermique fluide frigorigène condensé/source chaude inséré sur le circuit de fluide frigorigène en amont dudit organe d'échange par rapport au sens de circulation du fluide frigorigène condensé. 4. Dispositif selon la revendication 3 dans lequel l'évaporateur est alimenté en régime noyé par le fluide frigorigène caractérisé en ce que ledit organe d'échange est constitué par une bouteille d'aspiration de type connu en soi disposée entre l'évaporateur et le compresseur, ladite bouteille comprenant un serpentin pour la circulation de fluide frigorigène condensé. 5. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'échangeur thermique fluide frigorigène condensé/source chaude est constitué par une épingle de l'évaporateur, le détendeur étant disposé sur le circuit frigorifique entre la sortie de ladite épingle et l'entrée des autres épingles de 11 évaporateur.