Brevet FR2438806A1 — publié le 19800509

La présente invention concerne un procédé et une installation permettant d'augmenter le coefficient de performance des pompes à chaleur, c'est-à-dire la valeur algébrique obtenue par le rapport de la quantité de chaleur cédée à la source chaude sur la quantité d'énergie dépensée. D'une manière générale, une pompe à chaleur fonctionne selon le processus suivant. Un fluide caloporteur circule dans le réseau d'un évaporateur, logé dans une chambre remplie d'une substance, telle que de l'eau, définissant la source froide du cycle thermodynamique auquel va être soumis ledit fluide. En effet, ce dernier emmagasine par échange thermique les calories stagnantes dans le volume d'eau et pénètre dans un compresseur ayant pour effet, en augmentant sa pression, d'entrainer une élévation importante de sa température.Sous phase vapeur, ce fluide va ensuite céder les calories accumulées, en passant à l'état liquide à l'intérieur d'un condenseur disposé dans une enceinte dans laquelle un volume de fluide, tel que l'air, et définissant la source chaude du cycle, va être chauffé grâce à la quantité de chaleur cédée. De nouveau, le fluide est introduit dans l'évaporateur et le cycle opérationnel décrit ci-dessus recommence. Afin de mieux comprendre le procédé de l'invention, il est utile préalablement de rappeler quelques définitions calorimétriques. Une quantité de chaleur est une grandeur mesurable, laquelle est définie par une unité, la calorie, qui est la quantité de chaleur qu'il faut fournir à un gramme d'eau pour élever sa température de 10C. On appelle chaleur latente de changement d'état, la quantité de chaleur nécessaire pour faire changer d'état l'unité de masse diune substance, la température restant constante. Pour l'eau, cette chaleur latente est la quantité de chaleur qu'il faut prélever à un gramme d'eau sous phase liquide pour le transformer en un gramme d'eau sous phase solide à une température de OOC. La grandeur de cette chaleur latente est alors égale à 80 calories par gramme d'eau. Ayant observé dans la chambre ou est situé l'évaporateur d'une pompe à chaleur que l'eau avait tendance à se congeler et à former une pellicule de glace sur la surface d'échange dudit évaporateur, libérant de ce fait une importante quantité de chaleur, et ayant constaté que plus le bloc de glace déjà formé était épais, moins la congélation était importante, la demanderesse a donc conclu que ce bloc constituait un obstacle à la propagation de la chaleur latente du volume d'eau liquide restant dans la chambre vers le fluide caloporteur circulant dans l'évaporateur, ce qui, bien évidemment, nuisait au rendement calorifique de ladite pompe.Cette observation se vérifie par le fait que, lorsque le bloc de glace formé sur la surface d'échange de l'évaporateur atteint une certaine épaisseur, le processus du transfert thermique de l'eau vers le fluide caloporteur est interrompu, ce qui nécessite l'adoption de systèmes de dégivrage. Le but de l'inentionest donc de former le plus possible de glace sur la surface d'échange afin de prélever la plus grande quantité de chaleur latente disponible dans l'eau liquide. A cet effet, le procédé de l'invention basé sur les observations précitées consiste, après apparition de la pellicule de glace sur la surface d'échange de l'évaporateur, à décoller ladite pellicule chaque fois que cette dernière ralentit la propagation de la chaleur latente vers le fluide caloporteur circulant dans l'évaporateur. Ce procédé présente un grand intérêt, car la chambre où se trouve l'évaporateur est le siège d'un continuel changement d'état de l'eau liquide en glace, ce qui permet de récupérer, pour chaque gramme de liquide transformé, 80 calories, tout en maintenant la température à la même valeur, c'est-à-dire à OOC. On comprend de ce fait l'avantage d'appliquer ce procédé aux pompes à chaleur classiques où le fluide caloporteur circulant dans l'évaporateur n'emmagasine qu'une calorie en abaissant de 10C la température de 1 gramme d'eau. En effet, le coefficient de performance d'une pompe à chaleur adoptant un tel procédé se trouve amélioré car l'on se situe en permanence très près de la température d'évaporation du fluide. La capacité thermique de stockage ou de la source froide est alors multipliée par un facteur théorique 80. Une des caractéristiques essentielles de l'invention est de fragmenter les blocs de glace se détachant de la surface d'échange de l'évaporateur afin que ceux-ci n' entravent pas par la suite la remontée des autres blocs de glace formés à la surface de l'eau contenue dans la chambre. De plus, le volume des glaçons résultant de la fragmentation d'un bloc de glace facilite leur reconversion en phase liquide puisque leur entière surface reste directement en contact avec l'eau stagnant dans la chambre. D'autres caractéristiques et d'autres avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description ci-après donnant, à titre d'exemples non limitatifs et en regard des dessins annexés, diverses formes d'installations de pompes à chaleur permettant de mettre en oeuvre le procédé décrit cidessus. Sur ces dessins La figure 1 est une vue en coupe d'un évaporateur illustrant le procédé de l'invention ; La figure 2 est une vue en plan dudit évaporateur Les figures 3 et 4 sont des schémas illustrant le fonctionnement de deux pompes à chaleur conçues différemment et.permettant de mettre en oeuvre ce procédé. Comme on peut le voir sur les figures 1 et 2, ltévapora- teur 1 d'une pompe à chaleur est logé dans une chambre 2 remplie d'eau et enterrée pour que cette dernière récupère, par échange thermique avec les parois de la chambre 2, les calories d'accumulation terrestre ou de tout autre apport. Cet évaporateur, de préférence du type plan, est muni d'une canalisation 3 d'arrivée (flèche A) et d'une canalisation 4 de sortie (flèche S) de fluide caloporteur destiné à emprunter et à véhiculer les calories emma gasinées dans l'eau de la chambre 2. Lorsque la température de l'eau dans la chambre 2 est voisine de OOC, elle a tendance à se congeler et forme sur la surface d'échange de l'évaporateur un bloc de glace 5. Ce phénomène de solidification de l'eau liquide permet, tout en maintenant la température à OOC, de libérer une quantité importante de chaleur résultant du changement d'état et connue sous le nom de chaleur latente. Or, comme, au out d'un certain temps, l'épaisseur du bloc devient trop importante et constitue une barrière thermique à la propagation de la chaleur latente de changement d'état, il convient de supprimer l'adhérence du bloc de glace 5 pour obtenir une meilleure utilisation de la surface d'échange de l'évaporateur 1 et donner ainsi une valeur favorable au taux de marche de la pompe à chaleur. De préférence, la surface d'échange de l'évaporateur 1 est quadrillée par des aspérités 6, comme montré à la figure 2, confectionnées dans un matériau isolant et ayant pour objet, comme on l'a précisé au début de ce présent mémoire, de partager le bloc 5 en des glaçons 7 de plus petites dimensions. Afin de permettre le décollement du bloc 5 de l'évaporateur 1, le procédé de l'invention consiste à réchauffer la surface d'échange en contact intime avec ledit bloc de glace, par exemple en envoyant un fluide chaud dans le réseau de l'évaporateur. Pour mettre en oeuvre un tel procédé, diverses installations de pompes à chaleur sont envisageables. Dans une première installation, non représentée, on inverse le cycle de fonctionnement d'une pompe à chaleur équipée à cet effet d'une vanne à quatre voies. Dans d'autres installations, on dérive le circuit de fluide caloporteur entre le compresseur et le condenseur. Les figures 3 et 4 illustrent deux schémas de fonctionnement de ces installations. On peut y voir les éléments classiques d'une pompe à chaleur - un évaporateur 1 ; - un condenseur 8 ; - un détendeur 9 ; - un compresseur 10 ; - une bouteille anti-coup de liquide 11 - et une canalisation 12 permettant de dériver le fluide caloporteur sortant du compresseur 10 sur l'entrée de l'évaporateur 1. La mise en service de la canalisation 12, commandée par exemple par une sonde disposée à la sortie de la canalisation 4 de l'évaporateur 1 , et déclenchée selon l'épaisseur du bloc 5, s'opère -soit par une vanne électromagnétique 13 branchée sur la canalisation 12 (figure 3) ; - soit par une vanne à trois voies 14 située sur l'intersection de la canalisation 12 et de la canalisation reliant la sortie du compresseur 10 à l'entrée du condenseur 8 (figure 4). Bien évidemment, les divers dispositifs de sécurité nécessaires au fonctionnement des pompes à chaleur, et notamment les clapets anti-retour, n'ont pas été représentés, comme n'apportant rien de plus à la bonne compréhension de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Procédé permettant d'augmenter la capacité thermique de la source froide d'une pompe à chaleur, CARACTERISE EN CE qu'il consiste à supprimer l'adhérence du bloc de glace formé sur la surface d'échange de l'évaporateur de ladite pompe chaque fois que ce bloc constitue une barrière thermique à la propagation de la chaleur latente nécessaire pour la transformation de l'eau sous phase liquide en eau sous phase solide. 2 - Procédé selon la revendication 1, CARACTERISE EN CE qu'il consiste à fragmenter le bloc de glace décollé. 3 - Procédé selon la revendication 1, CARACTERISE EN CE qu'il consiste à réchauffer la surface de l'évaporateur en contact intime avec le bloc de glace. 4 - Procédé selon les revendications 1 et 3, CARACTERI SE EN CE qu'il consiste à envoyer un fluide chaud dans l'évaporateur. 5 - Installation de pompe à chaleur constituée d'au moins un compresseur, un condenseur et un évaporateur, dans lesquels circule un fluide frigorigène, et permettant de mettre en oeuvre le procédé selon les revendications 1, 3 et 4, CARACTERISEE PAR LE FAIT que ledit fluide sortant du compresseur sous phase gazeuse est dérivé par des moyens adéquats dans une canalisation branchée sur l'entrée de l'évaporateur. 6 - Installation selon la revendication 5, CARACTERISEE PAR LE FAIT que les susdits moyens comprennent une vanne à trois voies disposée entre le compresseur et le condenseur. 7 - Installation selon la revendication 5, CARACTERISEE PAR LE FAIT que les susdits moyens comprennent une vanne électromagnétique branchée sur ladite canalisation de dérivation. 8 - Dispositif permettant de mettre en oeuvre le procédé selon la revendication 2, CARACTERISE PAR LE FAIT que la surface d'échange de l'évaporateur est pourvue d'aspérités découpées dans un matériau isolant.