Brevet FR2400173A1 — publié le 19790309

La présente invention concerne les pompes à chaleur dont le circuit, parcouru par un caloporteur en phase liquide et gazeuse constitué par un mélange de fluides frigorigenes, comporte un compresseur, un condenseur, un sous-refroidisseur, un détendeur et un évaporateur. Une telle pompe permet de prelever de la chaleur a une source extérieure, au niveau de l'évaporateur, et de la restituer, a une température plus elevée, au niveau du condenseur. Le circuit d'une telle pompe a chaleur comporte une bou teille qui contient une réserve de caloporteur en phases liquide et gazeuse. La présence de la bouteille garantit que la condensa tion du caloporteur s'effectue en totalité au niveau du condenseur. Elle évite qu'il n'y ait, dans le sous-refroidisseur dont la tem pérature est plus basse que celle qui regne au condenseur, une condensation supplementaire qui se traduirait par une chute de la puissance thermique disponible au condenseur. Les pompes de chaleur doivent, dans de nombreuses applica tions, travailler avec des temperatures au condenseur et/ou a l'évaporateur qui sont imposes et qui varient dans de larges limites. Une pompe a chaleur classique, qu'elle soit chargée avec un caloporteur constitué d'un mélange ou d'un produit pur, ne per met de ne satisfaire qu'une plage déterminée de températures, liee a ce fluide. Une telle pompe sera dimensionnée en fonction d'une puissance nominale dependant de la taille du compresseur. Tout appel de puissance supplémentaire restera insatisfait alors qu'une baisse de la puissance appelée se traduira par une chute du rendement de l'installation. En consequence, la réalisation de pompes a chaleur utilisant une source de calories a temperature variable, par exemple de façon saisonniere, pose des problemes qui ne sont pas resolus à l'heure actuelle. La présente invention vise a fournir une pompe a chaleur susceptible de fonctionner de façon satisfaisante dans un domaine de températures et de puissances étendu en conservant un rendement satisfaisant. Dans ce but, l'invention propose notamment une pompe a chaleur qui comprend également une bouteille dont la contenance est supérieure a celle dudit circuit, contenant, en fonctionnement, les fluides constitutifs du mélange en phases liquide et gazeuse, bouteille munie de moyens permettant de lui apporter de la chaleur ou d'en extraire de façon a vaporiser ou pieger préférentielle ment le fluide frigorigene le plus volatil dans la bouteille et a adapter la pompe a chaleur soit a un fonctionnement a basse température et/ou puissance élevée, soit inversement a un fonctionnement a haute température et/ou faible puissance. Le caloporteur sera en general constitué par une mélange d'hydrocarbures fluorés, notamment ceux désignés commercialement par les appellations fréon forane et flugêne... Le caloporteur sera en général constitué par un melange de deux fluides qui seront choisis pour présenter, dans le domaine de température prévu pour le fonctionnement de la pompe, un écart de concentrations entre courbe de rosee et courbe d'ébullition supérieur à 10%. En utilisant les hydrocarbures fluors disponibles dans le commerce, on arrive aisément a obtenir des écarts supérieurs a 20% et pouvant atteindre et depasser 30%. C'est essentiellement le rapport entre la contenance de la bouteille et celui du circuit, lors du fonctionnement, qui fixera la variation de température et la variation de puissance qu'il est possible d'obtenir pour un écart de concentrations donné, Plus ce rapport sera élevé et plus on pourra se rapprocher de la limite théorique correspondant a un écart déterminé. Dans chaque cas particulier, on devra évidemment choisirun compromis entre la variation que l'on veut obtenir et l'investissement supplémentaire que représente un accroissement de contenance de la bouteille. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de pompes a chaleur qui constituent des modes particuliers de realisation de l'invention, donnés a titre d'exemples non limitatifs, ainsi que de variantes.La description se refère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe montrant une première pompe a chaleur suivant l'invention, dans laquelle la bouteille est en équilibre de pression avec le condenseur; - la figure 2 est un diagramme montrant la concentration d'un des fluides frigorigènes dans l'autre, en phase liquide et en phase gazeuse, dans la bouteille, en fonction de la température T, dans celle-ci - la figure 3 montre les courbes de variation de la concentration d'un fluide frigorigène dans l'autre, dans le circuit frigorifique, en fonction de la masse m véhiculée depuis la bouteille, pour diverses valeurs du rapport entre les contenances de la bouteille et du circuit et pour différents écarts de concen traction a entre la phase liquide et la phase gazeuse. - la figure 4, similaire a la figure 1, montre une pompe a chaleur suivant un autre mode de réalisation, dans laquelle la bouteille est en désé- quilibre de pression avec le condenseur, le chauffage et le refroidissement de la bouteille étant réalisés par la pompe a chaleur elle-même. On retrouve dans une pompe a chaleur suivant l'invention la plupart des constituants d'une pompe classique. Pour plus de clarté, ces composants communs ont été représentés en traits fins sur la figure 1. Le circuit de la figure 1 comporte, places en serie dans le sens de circulation du fluide caloporteur, un compresseur 10, un condenseur il dans lequel le fluide passe en phase liquide en cédant de la chaleur a un circuit secondaire 12, un sous-refroidisseur 13, un détendeur 14 qui provoque une baisse de pression du fluide en phase liquide, et enfin un evaporateur '5, chauffé par un circuit 16 constituant source de chaleur. De plus, une pompe a chaleur classique comporte, entre le condenseur et le sous-refroidisseur, une bouteille servant de réservoir de fluide et garantissant la présence de liquide en amont du sous-refroidisseur. Avant de décrire des modes de realisation particuliers de l'invention, on fournira quelques données théoriques faisant apparaître les principes mis en oeuvre. Dans une pompe a chaleur classique, il n'est pas possible de modifier en marche la composition du fluide caloporteur. Au contraire, dans le cas ou la bouteille est partiellement dissociée du circuit proprement dit et ou on peut organiser des transferts de fluide entre ce circuit et la bouteille, cette composition peut être modifiée. On supposera que la bouteille est occupee par un mélange de deux fluides frigorigènes; la concentration massique du composant le plus volatil par rapport au composant le moins volatil est x12 en phase liquide et xg2 en phase vapeur. On supposera egalement que ltecart A2 = xg2 - x12 est constant dans le domaine de temperatures T utilisable (figure 2). On peut donc écrire : xg2 = x12 + #2 (1) On supposera de plus que la masse volumique p du mélange en phase liquide est sensiblement constante. Dans ces conéitions7 la variation de concentration du composant le plus volatil par rapport au composant le moins volatil Axll en phase liquide dans le circuit frigorifique, lorsqu'une masse m est évaporée dans la bouteille et passe dans le circuit, est: 1+v/v Ax = 2 1 A exp pu123 m 1+VI/V2 1 Dans cette formule, V1 et V2 désignent les contenances respectives du circuit et de la bouteille en liquide. A partir de ces relations, on peut tracer la courbe de variation de A11 dans le circuit en fonction de la masse m évaporee pour diverses valeurs des autres parametres. A titre d'exemple, quatre courbes ont eté tracées sur la figure 3. Elles correspondent respectivement : - la courbe 17, a h2 = 0,1 et V2 = 2 V1, - les courbes I8a et 18b, a A2 = 0,2 et, respectivement, a V2 = 2 V1 et V2 = V1, - la courbe 19, a A2 = 0,3 et V2 = 2 V1 On constate immédiatement que Ax11 tend vers une valeur asymptotique lorsque la masse transférée m augmente. Pour toutes les courbes, cette valeur asymptotique est pratiquement atteinte des une valeur ml de m qui est de I'ordre de 300 kg lorsque V1 = 100 dm , avec une masse volumique moyenne p = 1,2 kg/dm3. On constate également que, quelle que soit la masse m, les écarts de concentration A2 entre phase liquide et phase gazeuse inférieurs a 10% (courbe 17) ne conduisent qu'a des variations Ax11 tres faibles. Pratiquement, il sera dans la plupart des cas nécessaire d'atteindre ou de depasser-une valeur A2 de I'ordre de 20% pour obtenir des résultats notables (courbes 18a, 18b et 19). On constate egalement que, des que la masse transferée est notable, la valeur du rapport V1/V2 a une grande importance. Lorsque V2 = V1 (courbe 18b), la variation de concentrations #x11 est toujours inférieure a A2/2. Dans la pratique, on aura en général interêt a adopter au moins V2 = 2 V1 (courbes 18a et 19). Par contre, on n'a pas intérêt trop augmenter le rapport V2/V1, car on est conduit a des investissements beaucoup plus lourds, du fait du coût de la bouteille et des fluides. La pompe a chaleur montree en figure 1, qui constitue un premier mode de réalisation de I'invention, comporte une bouteille 20 en équilibre de pression avec le condenseur. Cette solution est la plus simple a realiser mais, comme on le verra, elle exige l'adjonction d'un système permettant de chauffer et de refroidir la bouteille a partir d'une source externe. La bouteille 20, de capacite V2 en liquide, contiendra en fonctionnement le caloporteur en phase liquide, avec une concentration xl2, et en phase vapeur, avec une concentration xg2 La phase gazeuse de la bouteille 20 est reliee a I'amont du condenseur par une conduite 21.La phase liquide est reliee a l'aval du condenseur par une conduite 22. Les moyens permettant de chauffer et de refroidir la bouteille 20 sont représentés sous forme d'un circuit 23 qui comporte un serpentin 24 noyé dans la phase liquide de la bouteille et qui est parcouru par un fluide de transfert de chaleur. Sur le circuit est interposé un organe de chauffage, qui peut être constitué par une résistance électrique chauffante 25, et un élément de refroidissement 26, qui peut être un radiateur a travers lequel on souffle de l'air atmospherique lors des periodes d'utilisation. La résistance chauffante 25 peut évidemment être directement immergée dans la phase liquide de la bouteille 20. Il est évidemment nécessaire de consommer de l'énergie pour réaliser les changements de compositions du caloporteur dans le circuit principal. II faut remarquer a ce sujet que cette consommation n'est appréciable qu'au cours des modifications de composition, la consommation d'énergie pour refroidir ou rechauf- fer la bouteille 20 en régime permanent étant réduite a la très faible valeur nécessaire pour compenser les pertes. Meme dans les périodes transitoires, la consommation d'énergie nécessaire reste acceptable, comme on va maintenant le faire apparaitre sur des exemples particuliers, correspondant a divers mélanges de fluides frigorigènes, etant bien entendu que de nombreux autres melanges pourraient être adoptés. Exemple 1 : Mélange de difluoro-dîchlorométhane et dichloro- tétrafluoroéthane (appellations normalisées : R12 et R 114). Pour ces mélanges, #2 = 0,2 et permet d'atteindre des variations de concentration x12 de 20%, par chauffage et par refroidissement de la bouteille, si V2 est très supérieur a V1 Le rêchauffage et le refroidissement de la bouteille provoquent respectivement une multiplication de la masse volumique du gaz aspire par le compresseur par un facteur 1,17 et une division de cette masse par 1,18, permettant ainsi d'atteindre un facteur de variation de puissance égal à ,17 x 1,18, soit 1,38. En fait, ce résultat ne pourra être atteint qu'avec un investissement qui sera en général excessif. Mais, même avec V2 = 2 V1, ce qui réduit les variations de composition du gaz aspiré à 13%, on peut augmenter ou diminuer la puissance dans un facteur de 1,11, de sorte que le facteur total de variation de puissance est encore de 1,21, pour un transfert m permettant d'atteindre la partie asymptotique de la courbe, soit 300 kg environ dans le cas ou V1 = 100 dm Pour une telle masse m 300 kg, on peut alors déterminer l'énergie consommée pour chauffer ou refroidir la bouteille La chaleur latente moyenne à 720C du mélange R12-R114 étant de 25,3 kCal/kg, l'énergie de chauffage ou de refroidissement est d'environ 7600 k-Cal ou - Frigories suivant le cas. Sur des installations commerciales courantes, cette depense énergétique (qui d'ailleurs se limite aux phases transitoires) correspond à une puissance inferieure au dixieme de la puissance calorifique de l'installation. Exemple 2 : Mélange trichlorotrifluoroétane-dichlorotétrafluoro- ethane (appellations normalisées R113 et R114) Ce mélange a l'intérêt de presenter un écart A2 qui steleve à 30% ou 0,3. Avec V2 = 2 V1, on peut obtenir des écarts de concentrations de 20% en plus ou en moins de la teneur initiale dans le circuit, ce qui permet de multiplier la masse volumique par 1,23 en chauffant la bouteille, ou de la diviser par un facteur 1,34 en refroidissant la bouteille. La plage de variation de puissance est donc de 1,65. L'énergie dépensée pour vaporiser ou condenser 300 kg a la bouteille s'élève à environ 6000 k Cal oukfrigories. Le seul inconvénient notable d'un tel mélange est constitué par les risques de décomposition de R113 en présence d'huile lorsque la température est largement supérieure à 1000C. Exemple 3 : Mélange dichlorotétrafluoroéthane-monochlorodifluoro- éthane (R114-R22) L'écart A2 entre la courbe d'ébullition et la courbe de rosée est encore important, puisque dans certains cas il atteint 3sue. Avec V2 = 2 V1, on peut facilement atteindre des écarts de concentration dans le circuit de 20%, d'ou une plage de variation de la masse volumique atteignant 1,8 avec une bouteille de très grande capacité. Si sa capacité est reduite à V2 = 2 71 la puissance peut ainsi varier dans un rapport de 1744. L'énergie nécessaire pour cette variation est au maximum de llordre de 9600 kcal ou kfrigories pour une masse transféree de 300 kg. On voit que, dans tous les cas7 la puissance à mettre en oeuvre reste modérée et ne compromet pas les performances de l'installation. On peut encore diminuer la consommation d'énergie nécessaire pour modifier la masse volumique en utilisant la pompe à chaleur elle-même pour chauffer et refroidir la bouteille. Les apports ou emprunts d'energie à la bouteille sont alors divises par le coefficient de performance de la pompe a chaleur. La figure 4 montre schématiquement une pompe a chaleur permettant d'atteindre ce résultat. Là encore, pour plus de simplicité, on a représenté en traits fins les parties classiques de l'installation. Les organes correspondant à ceux de la figure 1 sont désignés par le même numéro de référence, affecté de l'indice a,et ne seront pas décrits de nouveau. Pour que les échanges thermiques puissent s'effectuer entre la bouteille 20a et le circuit principal, la température de la bouteille doit être comprise entre celle du condenseur lia et celle de l1évapo- rateur 15a.La bouteille 20a est encore munie d'une conduite 21a rebouchant dans la phase gazeuse, mais cette conduite est munie d'une vanne à trois voies 28 qui permet de la relier, soit a l'amont du condenseur lla, soit, par l'intermédiaire d'un déten- deur 29, à l'amont de l'évaporateur 15a. Quant a la phase liquide de la bouteille 20a, elle est reliée en permanence, par une conduite 30, à l'aval du sousrefroidisseur 13a. Le circuit de chauffage et de refroidissement de la bouteille 20 comprend encore un serpentin 24a qui peut être relié de façons différentes au circuit principal par l'intermé- diaire d'une vanne trois voies 40 et d'une vanne a quatre voies 31. Lorsque les vannes 40 et 31 sont dans la disposition où elles sont illustrées en figure 4, elles établissent un circuit qui comprend, à partir d'une derivation 32 prévue sur le circuit principal a l'aval du condenseur 11a, un détendeur 33, puis le serpentin 24a (qui peut être remplacé par tout autre type d'échangeur) et une dérivation 34 de retour vers le circuit principal7 à l'amont de l'évaporateur 15a Lorsqu'au contraire les vannes 40 et 31 sont inversées (comme represente schématiquement en tirets sur la figure 4), elles etablissent un circuit qui comprend une dérivation 35 prévue sur la partie haute pression du circuit principal (entre le compresseur îOa et le condenseur lia), le serpentin 24a, le détendeur 33, et la conduite 34. Pour chauffer la bouteille, les vannes 40 et 31 sont placées de façon à établir les liaisons marquées en tirets : du caloporteur en phase vapeur prélevé entre le compresseur loa et le condenseur Ila vient se condenser dans le serpentin 24a et réchauffe la bouteille ; le condensat se detend en 33 et revient à l'évaporateur 15a. Dans la bouteille, il y a vaporisation d'une fraction volatile qui s'échappe vers l'évaporateur, la vanne 28 etant placee dans ce but dans la position représentée en tirets. Inversement, pour refroidir la bouteille, on place les vannes 40 et 31 dans la position representee en trait plein. On met également la vanne 28 dans la position représentée en trait plein, pour autoriser le retour vers la bouteille de vapeurs de caloporteur qui s'y condensent. Dans le circuit de refroidissement de la bouteille, du liquide provenant du circuit principal circule suivant la direction indiquée par les flèches f, se détend en 33, s'evapore de nouveau dans le serpentin 24a en refroidissant la bouteille ; les vapeurs s'échappent vers l'évaporateur par la conduite 34. Quel que soit le mode de realisation adopte, on voit qu'on peut adapter une pompe à chaleur à des conditions de température différentes, à puissance constante. On peut également, lors d'une utilisation à température donnee, moduler de façon continue la puissance, dans un rapport qui peut aller de 1,2 à 2,35 suivant les mélanges utilisés et les contenances respectives du circuit principal et de la bouteille. I1 faut remarquer à ce sujet que la variation de puissance que l'on peut ainsi obtenir est continue. On a ainsi un fonctionnement beaucoup plus souple que dans les installations où on ne peut obtenir une variation de puissance qu'en agissant sur les compresseurs . Certaines types de compresseurs, les compresseurs à piston par exemple, ne permettent de selectionner qu'un nombre limité de paliers de puissance. De plus, par chauffage de la bouteille, on facilite le démarrage de la pompe. L'invention ne se limite évidemment pas aux modes de réalisation particuliers qui ont été représentes et décrits à titre d'exemples et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend aux variantes restant dans le cadre des équivalences. REVENDICATIONS 1. Pompe à chaleur dont le circuit, parcouru par un caloporteur en phases liquide et gazeuse constitué par un melange de fluides frigorigènes, comporte au moins un compresseur, un condenseur, éventuellement un sous-refroidisseur, un detendeur et un évaporateur, caracteriseeen ce que la pompe à chaleur comprend egalement une bouteille dont la contenance est supérieure à celle dudit circuit, contenant en fonctionnement les fluides constitutifs du melange en phases liquide et gazeuse, bouteille munie de moyens permettant de lui apporter de la chaleur ou d'en extraire de façon à vaporiser ou pièger préférentiellement le fluide frigorigène le plus volatil dans la bouteille et a adapter la pompe à chaleur soit à un fonctionnement à basse température et/ou à puissance élevee, soit inversement à un fonctionnement a haute temperature et/ou faible puissance. 2. Pompe à chaleur suivant la revendication 1, caractérisée en ce que les fluides frigorigènes sont des hydrocarbures fluorés. 3. Pompe à chaleur suivant la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que le caloporteur est un mélange de deux fluides 4. Pompe a chaleur suivant la revendication 1, 2 ou 3, caractérisée en ce que la contenance de la bouteille en fonctionnement est au moins egale à celle du circuit. 5. Pompe à chaleur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les phases vapeur et liquide de la bouteille sont reliées respectivement a l'amont et à l'aval du condenseur et en ce que la bouteille est munie d'un circuit annexe de chauffage et de refroidissement comprenant un ou plusieurs échangeurs de chaleur avec les phases liquide ou vapeur de la bouteille. 6. Pompe à chaleur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les phases vapeur et liquide de la bouteille sont reliées respectivement à l'amont et à l'aval du condenseur et en ce que un échangeur de chaleur au moins est placé sur les liaisons entre la bouteille et le circuit de la pompe à chaleur. 7. Pompe à chaleur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la phase liquide de la bouteille est reliée à l'aval du sous-refroidisseur et en ce que la bouteille est munie de moyens permettant : - soit de relier la phase vapeur de la bouteille à l'amont de l'évaporateur et en même temps d'établir un circuit allant de l'aval du condenseur a l'amont de l'évaporateur par l'inter médiaire d'un détendeur et d'un échangeur de chaleur avec la phase liquide de la bouteille, - soit de relier la phase vapeur de la bouteille a l'amont du condenseur et d'établir, en même temps, un circuit allant de l'amont du condenseur a l'amont de l'évaporateur par l'inter médiaire de l'echangeur de chaleur et du détendeur. 8. Pompe à chaleur suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractériséeen ce que le caloporteur est constitué par l'un des melanges suivants : R12 - R114, R113 - R114, R114 - R22.