Brevet FR2406171A1 — publié le 19790511

La présente invention concerne un perfectionnement aux installations frigorifiques ou de pompe de chaleur à fluide condensable utilisant le phénomène du surrefroidissement du condensat par un milieu externe. Dans les dispositifs connus, on s'efforce d'obtenir un surrefroi- dissement du fluide frigorigène en deça de la température de condensation, tout en maintenant cette meme température de condensation, car c'est elle qui détermine (dans le cas d'une pompe de chaleur) la température que peut atteindre un milieu à chauffer. Bien entendu, il est toujours possible d'extraire une plus grande quantité de chaleur du condenseur, soit en améliorant sa capacité d'échange, soit en augmentant le débit du milieu à chauffer ou refroidissant. Cependant, ces procédés finissent par abaisser la température de condensation et donc par réduire l'élévation de température du milieu chauffé ou refroidissant. En insistant dans ce sens, on arrive à baisser la température de condensation, sans pour autant augmenter sensiblement le surrefroidissement. En fin de compte, de tels procédés ne permettent qulun faible surrefroidissement obtenu par un mélange de liquide surrefroidi, de liquide à la température de condensation et de vapeur à cette mEme température de condensation, ce mélange étant variable selon les conditions dynamiques à chaque endroit.En effet, toute tentative connue de surrefroidissement du condensat au niveau du condenseur, ou éventuellement au niveau d'une prolongation ou d'une extension de celui-ci, diminue sa tension de vapeur ainsi que son volume spécifique, ce qui provoque un appel de vapeurs saturées et éventuellement surchauffées qui sont à pression et à température plus élevées, entraidant quant au résultat recherché les effets nuisibles suivants :: 10 - échanges athermiques entre lesdites vapeurs et le milieu à chauffer ou refroidissant à des températures plus basses (constituant des irréversibilités thermodynamiques) provoquant une condensation (isotherme), donc formation d'abord d'un condensat à la température de condensation, 20 - échanges thermiques entre ce mewme condensat formé 9 la température de condensation et du condensat déjà surrefroidi, 30 - écran ges thermiques entre les vapeurs et ledit condensat déjà surrefroidi, 40 étant donné que dans chaque cas possible d'équilibre dynamique, il y a un flux continu à chaque point dans le circuit physique dune installation de pompe de chaleur ou frigorifique du type visé par la présente invention, les échanges thermiques définis ci-dessus en 20 et 30 se produisent avec ledit condensat surrefroidi prcfessivement le long du condenseur et provenant du début de condensation. Divers moyens ont été déjà proposés pour rendre ce surrefroidissement plus efficace, tel qu'un échangeur dit de récupération dont le primaire est inséré entre la sortie du condenseur et le détendeur. Cependant, un tel procédé n'équivaut, dans la pratique, qu'à une extension dudit condenseur. Cette extension peut d'ailleurs etre réalisée en mettant à la suite du condenseur un étage de sunefroidissement des condensats, étage souvent intégré avec le condenseur pour des commodités de fabrication. La présente invention propose un moyen de surrefroidissement quasi-total, clest-à-dire un surrefroidissement jusqu'à la température initiale d'un milieu à chauffer dans le cas d'une pompe de chaleur, ou bien jusqu'à la température la plus froide de la source en cas d'utilisation d'une source unique ou jusqu'à la température de la source la plus froide en cas d'utilisation de sources multiples pour une installation frigorifique. Selon la présente invention, ce surrefroidissement quasi-total est réalisé sans modifier les conditions thermodynamiques dans le condenseur, permettant ainsi de réduire les irréversibilités internes et celles dues aux échanges thermiques au niveau du condenseur, ce qui entraine évidemment une amélioration très sensible du coefficient de performance de l'installation.Par exemple, dans le cas d'une pompe de chaleur, cette invention permet d'utiliser lténergie thermique otbenue par surrefroidissement pour préchauffer le milieu à chauffer, l'une des conséquences étant d'augmenter le débit de ce dernier tout en gardant la même température finale. La description suivante de l'invention se réfère à la figure annexée dans laquelle se trouvent les éléments classiques tels que le moto-compresseur MC, le condenseur C, le détendeur D et l'évaporateur E ainsi que deux éléments supplémentaires proposés par la présente invention dans le but exprbs d'effectuer le surrefroidissement quasi-total défini ci-desnus, ces deux éléments étant un réservoir R de forme particulière et un échangeur thermique S. Selon une caractéristique de l'invention, une séparation est créée entre le fluide présent dans le condenseur C et le liquide présent au mEme instant dans un deuxième échangeur thermique S dit surrefroidisseur, empochant -out-contact physique et tout échange thermique entre la vapeur dans le condenseur C et le condensat dans le surrefroidisseur S.Cette séparation entre le phénomène de condensation et celui du surrefroidissement peut être réalisée, par exemple, au moyen d'un réservoir R de volume suffi sant pour qu'un équilibre wolumétrique puisse s'établir entre le condensat et les vapeurs à condenser pour toute ltétendue des conditions de fonctionnement possibles de l1ins- tallation, le condensat étant ramené dans une partie dudit réservoir par gravité et la vapeur restant au-dessus de la surface du liquide. Selon la présente invention, l'entrée dans le réservoir R s'effectue de préférence au-dessus de l'interface vapeur-liquide, bien que ceci ne soit pas indispensable. Par contre, selon la présente invention, la sortie du réservoir R doit s'effectuer au-dessous de l'interface vapeur-liquide, et de préférence à un endroit convenablement éloigné de l'entré e de sorte que le liquide surrefroidi ne peut provoquer qu'un appel de liquide et en aucune fa çon un appel de vapeur. Cette séparation entre le fluide présent dans le condenseur C et le liquide présent au même instant dans le sutrefroidisseur S, peut aussi ttre créée par l'utilisation d'un condenseur incorporé au réservoir; dit réservoir-condenseur, avec sortie au-dessous de l'interfrace vapeurliquide.Ce réservoir condenseur joue ainsi le double ralle de condenseur et de séparation physique et thermique entre les vapeurs présentes dans le condenseur C et le condensat présent dans le surrefroidisseur S. Selon une autre caractéristique essentielle de l'invention, un ou plusieurs échangeurs S sont placés entre le réservoir R, contenant linterfa- ce de séparation déjà décrit, et le détendeur D du circuit d'un appareil frigorifique ou de pompe de chaleur pour constituer ledit surrefroidisseur. Selon une autre caractéristique de l'invention, le surrefroidisseur S est exclusivement un échangeur thermique du type "à contre-courant" afin d'obtenir une température du condensat à la sortie du surrefroisseur pratiquement égale à la température initiale du milieu à chauffer ou refroidissant. Selon une variante de l'invention le surrefroidisseur S peut être réalisé au moyen d'un tube capillaire qui combine à la fois les fonctions d'échangeur surrefroidisseur et de laminage débouchant sur la détente. Dans la figure annexée, le rôle de ltévaporateur E est classique. Il est traversé par un milieu à refroidir dans le cas d'une machine frigorifique, ou par un milieu dit source froide dans le cas d'une pompe de chaleur, ce milieu étant noté M1 dans la figure annexée. Dans le cas de la présente invention, la capacité d'échange thermique de cet évaporateur E doit titre suffisante pour permettre l'absorption, dans le milieu M1, de l'énergie thermique fournie au milieu M2 à chauffer ou refroidissant au niveau du condenseur et de l'énergie thermique fournie à ce même milieu ou bien à un autre milieu au niveau du surrefroidisseur. Dans le cas dune pompe de chaleur, une réalisation particulière selon la présente invention consiste à faire parcourir à contre courant le surrefroidisseur par un milieu à chauffer ou refroidissant pendant que le condenseur est parcouru par un deuxième milieu à chauffer ou refroidissant, ce condenseur étant dans ce cas soit du type à contre-courant, soit du type réser condenseur. Cette réalisation est applicable dans le cas où on doit chauffer deux milieux à des températures différentes. Selon une autre caractéristique de l'invention, dans le cas d'une pompe de chaleur, le milieu M1 parcourt d'abord à contre courant le surrefroidisseur et ensuite le condenseur de type à contre-courant ou réservoircondenseur, de sorte que les calories emmagasinées par le milieu à chauffer au niveau du surrefroidisseur soient portées à la température de condensation Il va de soi que cette forme de réalisation selon l'invention peut également profiter d'un potentiel calorifique à une température encore plus élevée due à la surchauffe. Selon une autre caractéristique de l'invention, dans le cas dlune installation frigorifique on peut faire parcourir en série le surrefroidisseur et le condenseur par le milieu refroidissant afin d'élever la température dudit milieu, ce qui implique la possibilité de diminuer le débit dudit milieu, ceci étant utile dans le cas d'utilisation d'un milieu contant. Selon une autre variante de l'invention dans le cas d'une installation frigorifique, si le milieu ntest pas contant ou est peu coûteux, il est possible de réduire la surface d'échange thermique pour une différence de température plus grande, donc de diminuer les dimensions physiques et le co t du condenseur, en faisant parcourir le condenseur et le surrefroidisseur par deux fractions du mEme milieu refroidissant de façon indépendante. REVENDICATIONS . I - Moyen de réaliser un surrefroidissement du condensat par un milieu externe refroidissant dans une installation frigorifique ou par un milieu externe à chauffer dans une installation de pompe de chaleur à fluide condensa ble, caractérisé par le fait qu'en plus des éléments classiques d'une telle installation, soit un compresseur, un condenseur, un détendeur et un évaporateur, le circuit comporte un réservoir de volume suffisant pour permettre l'établissement d'un équilibre volumétrique entre le condensat et les vapeurs à condenser, le condensat étant ramené dans une partie dudit réservoir par gravité, la vapeur restant au-dessus de la surface du condensat, lBentrée dudit réservoir steffectuant indifféremment dans la partie occupée par la va peux ou par le liquide, la sortie s'effectuant obligatoirement dans la partie occupée par le liquide ou bien un dispositif dit réservoir-condenseur respectant les mimes conditions de volume et de sortie du condensat que pour le réservoir indépendant, jouant dans ce cas le double r81e de condenseur et de réservoir, et au moins un échangeur thermique supplémentaire du type à conto courant, pour effectuer ledit surrefroidissement, dit surrefroidisseur ou surrefroidisseurs, ledit réservoir étant placé entre la sortie du condenseur et l'entrée dudit surrefroidisseur, et ledit surrefroidisseur étant placé entre ledit réservoir et le détendeur du circuit ou bien au moins un échangeur thermique supplémentaire du type capillaire et à contre-courant également dit surrefroidisseur, jouant dans ce cas le double r8le d'échangeur de surrefroidissement et de laminage débouchant sur la détente à l'ventrée de ltévaporataur, de sorte qu'une séparation physique et thermique est créée entre le condensat à refroidir et les vapeurs à condenser pour pouvoir surrefroidir ledit condensat en-dessous de la température de condensation sans modifier les conditions thermodynamiques régnant dans le condenseur. 2 - Un dispositif de pompe de chaleur utilisant le moyen décrit dans la revendication 1, caractérisé par le fait qu'en mEme toeps qu'un milieu est utilement chauffé en parcourant le condenseur, au moins un ou plusieurs autres milieux sont utilement chauffés en parcourant ledit ou lesdits surrefroidisseurs sans modifier les conditions de chauffe du premier milieu. 3 - Un dispositif de pompe de chaleur utilisant le moyen décrit par la revendication 1, caractérisé par le fait qu'un milieu est utilement chauffé en parcourant d'abord ledit ou lesdits surrefroidisseurs et ensuite le condenseur dans le but de chauffer ledit milieu à la température de condensation, le débit dudit milieu étant plus grand que si le milieu ne parcourt que le condenseur. 4 - Un dispositif utilisant le moyen décrit par la revendication I pour réaliser une installation frigorifique, caractérisé par le fait que le condenseur et le surrefroidisseur sont parcourus par deux flux refrpidissants dans le but de pouvoir diminuer la surface d'échange et donc le cott du condenseur en cas d'utilisation d'un milieu gratuit ou peu cortex. 5 - Un dispositif utilisant le moyen décrit dans la revendication 1 pour réaliser une installation frigorifique, caractérisé par le fait que le surrefroidisseur et le condenseur sont parcourus en série par un seul flux refroidissant pour extraire des calories avec un plus grand accroissement de température dudit flux, ce qui permet de diminuer le débit dudit flux dans le cas où celui-ci est contant.