Brevet FR2484065A1 — publié le 19811211

On sait qu'on appelle pompes à chaleur des machines thermiques fonctionnant de façon inversée, c'est-à-dire auxquelles on fournit de la puissance mécanique pour obtenir de la chaleur. En fait, comme ces machi- nes fonctionnent suivant le cycle de Carnot, leur action est double, savoir que d'une part elles transforment de la puissance mécanique en chaleur, mais que d'autre part elles prélèvent de la chaleur à une source froide pour la transférer à une source chaude, c'est-àdire qu'elles élèvent le niveau de température de la chaleur ainsi transférée, ce qui explique le nom qu'on leur a donné. Si la chaleur prélevée à la source froide est gratuite, si l'écart de température entre celle-ci et la source chaude n'est pas trop élevé et si le rendement mécanique de la machine considérée est bon, l'on peut ainsi arriver à disposer à la source chaude d'une quantité de chaleur bien supérieure à celle qui résulterait de la transformation directe en énergie thermique de l'énergie mécanique appliquée à cette machine. Lorsqu'on peut disposer de l'eau d'une rivière ou d'un lac, on l'utilise avantageusement pour constituer le fluide extérieur d'apport de calories à la source froide, mais cela est rare en pratique. Aussi les pompes à chaleur usuelles sont-elles en général prévues pour employer à cet effet l'air atmosphérique. Toutefois cela pose un problème parfois gênant. La source froide d'une pompe à chaleur usuelle est en pratique constituée par un échangeur de chaleur ou "évaporateur" dans lequel un fluide caloporteur approprié (fréon en général) s'évapore en absorbant la chaleur du fluide extérieur utilisé (eau ou air) qui évidemment se refroidit au passage. Dans le cas o le fluide extérieur de source froide est constitué par de l'air ambiant, ce refroidissement peut entraîner un phénomène de condensation. Aussi longtemps que la surface de l'évaporateur exposée à l'air reste supérieure à 00C, l'eau ainsi condensée s'écoule et peut être évacuée sang difficulté. Mais au-dessous de cette limite, il y a givrage. La surfaée en question se' recouvre d'une couche adhérente de givre qui l'isole en réduisant considé- rablement le coefficient d'échange et en abaissant par conséquent la température de vaporisation du fluide caloporteur, ce qui diminue à son tour les performances de la machine. Par ailleurs le givre gêne plus ou moins le passage du courant d'air, onî-gissant ainsidans le même sens défavorable que l'isolation de l'évaporateur. Il est donc indispensable de procéder de temps à autre à une opération de dégivrage, en prenant soin à ce que l'énergie ainsi dépensée ne diminue pas de manière trop sensible le bilan énergétique final. sap zasTITî n:nad uo anbr:eld el suea -aaqqmqop vt ep sasoddo sal82ue xnap sle& 01 uotlstI8seu8 e? oP a.Ipua, T3.a- 6 uo tes-Spue vl op gqnoqgp ae :uesodsTp ua "'s':emaqs quama aTssoig saiz e uo,_b ao CnvaI zaAe enbTmaaqq a2ueqap,p suoTlTpuo_ samam sal suep:ueano:l as saJlnR no su- T:uadlas xnap saz anb mnod snagid ala 4uah.Top s aqom si *y1 -nea e a. qmqp amam aun,p ú DTla IuTI.1 s esodsTp suTluad.as sep 18d sen1.Isuoz tuaolT81 s4uemU8Ig xnap sae anb asoddns B uo '4guasacldèa aldma xsuva L "L SlUamflà xnaP sap aliavd e uoTiesuapuoD ap;nalequ ul qqosqe zlToAU seade 01 uol:SlIvuea a.1roe aunm ed iTixos anod 6 uoTzessTIueD el avd aATare tnb neaI ap la uoOlj al aalueat lualp ap i-inaâu8qz>g ju1miof 8 alqnop in8suapuo0 unp qL Oú eL S:Iuamqlg sap un, eu SUp qg '9 U0e i aUn aud 'saapT sel IaXTU lnod-uoatj un a;za v.asoddns uonb 'nma:1odoTs aptnlt el elnojaz adno:S anbeqD 8-aseqdTai aldmee aed qç 'eç uoTi:luemlIvp auitI aun ans gigsuT aubTlzà1I iuamauuoT:Iave e q-- '?e aîldoidde lnazn:luoa un zed ppuwmmoa qú 'sE luemaulilue,p anbTz:laa:lî nazom un iud le qz 'ez iP quamaidold z lnagsaid"mo un:ed unovqo sgn:ITIsuoa qI la -l sinassaldmoz- olom sadnoai 'xnap puaidwoa uTssap al ans a:uasaidai alqnop nlnaIqp.e admod Ei uoTl" -na1xaip amiot aztne aun auunbtlput alIlalId an, aun zse Z -2.- -UoT:IuaAuTsI:ueatns alqnop OZ juaiyqa B admod aunp enb-:4vsiaqzs 8ar 'ugeanA. aun que 1 -2T *e: -mo0d ap e.q.d8azsns:1sa allnb s8e2uluvA *. sl la a1tsugad a8lnub sanb:1SI.. tus sel ?uoTluaau-TI eapuaidmov xnajm op gj:i:iamzad 'ald axa8p a8:11 e auuop 'xauu- 1Fssap a v - zav Twu v ad buzolUflTadoî TflTTTflflfl. ' '.8-.': zlTw, ap uoTzeInZol P a su.a aT atool0m saol'e suss amdnll a? oqzm Sl U- Wua8laomza 'Ali 2p:sa zz.e tSua. T adnoa2 np ena8eiô0Ao, anbsao -spnd. 'zlj,p juemno0 -ltpnp uoiitvlnzl ap p suas 8al luaslAuT ':u1uepuod$$X1ioa znassadmo"p-olom adnoz2 el lualCazi 'a-El2 no eiAt2 ap sz1Anofl0 ia lSte,p ueînov al-' ns i'4v ua afnlls eAnol3 as Tnb Tla3eioddAt anbsaol 'inb suaaom sap 91çd s a:nup 'aIlnl, SIuBp no suas-un suep S i a ï9 ale lz) 0I îain$p a le;-lnod suauom sap lzed aun,p n1agid lsa ITTnh stpue '.tep lueinoD amam un ans ajlas ua sasodsTp 0uos sinaeazod;A, sal:Uop so9 -îsuIWa,19 $admod xnap puaidmoti admod el 'uoj:lua8&uTT e f118mmlgJ=ouo -uoTeEmmosUO allezO aun mnmx-em ne 1u8sTnpa,1 ua suTom el 1no1 0 no '0alauuoT1Tp7pp alauap uoTiu2emmosuoD S sues '9tanpTsga a8AIS np uofsnj el iueansss u3 lnOl. a821At2 al ailnpga ap alslduaud s la s:1uaTuaauozou- SaD se a pdmad P9 agA UOm sUaAUT,1 -u1o1:D191us1 aeaîTIua auuop sud IUou S-a -sTm ' contact des deux éléments tels que 7a, 7b. Le fréon liquide sous pression sortant de chacun des éléments 7a, 7b est amené par une canalisation 12a, 12b à un mano-détendeur 13a, 13b à partir duquel il parvient sous pression réduite par une canalisation 14a, 14b à un évaporateur 15a, 15b agencé de manière à pouvoir être traversé par un courant d'air de réchauffage. Chacun de ces évaporateurs peut par exemple être réalisé à cet effet sous la forme d'un serpentin plat ou d'un faisceau tubulaire réunissant un corps d'entrée à un corps de sortie. Les deux évaporateurs 15a, 15b sont disposés à l'une et à l'autre extrémité d'une sorte de caisson tubulaire 16 à l'intérieur duquel est prévu un ventilateur réversible 17 commandé par un moteur 18 alimenté par une ligne 19, par exemple triphasée, sur laquelle est interposé un inverseur 20 à actionnement électrique. Bien entendu le caisson 16 doit Etre à section circulaire dans le plan du ventilateur 17, mais rien n'empêche que cette section ne passe progressivement à une forme carrée ou rectangulaire vers chaque extrémité pour faciliter la réalisation des évaporateurs. Le fréon vaporisé dans les évaporateurs 15a, 15b est ramené aux compresseurs 2a, 2b par des canalisations individuelles 21a, 21b. - Aux évaporateurs l5a, 15b sont associés des détecteurs individuels de givrage 22a, 22b établis sous forme de transducteurs électriques, de type connu, qui envoient leurs signaux par des lignes 23a, 23b à un microprocesseur 24. Ce dernier comporte trois sorties, savoir une première qui aboutit à l'inverseur 20 et deux autres 26a, 26b reliées aux contacteurs respectifs 4a et 4b. Le fonctionnement est le suivant En marche normale, c'est-à-dire en l'absence de givrage, les deux groupes la et lb fonctionnent simultanément, le ventilateur 17 tournant dans un sens quelconque, par exemple pour déterminer un courant d'air suivant les flèches 27. L'air extérieur entrant à une température tl traverse-l'évaporateur 15a auquel il cède de la chaleur en se refroidissant lui-même; il sort de celui-ci à une température t2 et, si l'on néglige la chaleur dégagée par le motdoientilateur 17-18, il arrive à cette même température à l'évaporateur 15b. Il réchauffe également celui-ci en se refroidissant et il sort à l'extérieur à une température t3. Pendant ce temps la chaleur de condensation du fréon dans les éléments 7a, 7b du condenseur 8 réchauffe l'eau de circulation qui sort par 10 à la température a'84065 désirée pour l'application envisagée, chauffage de locaux par exeuple. Si la température d'entrée tl est suffisante, celle de sortie t3 est nettement supérieure à 00C et tout risque de givrage est exclu. La machine fonctionne alors comme une pompe double à cette petite différence près que la moitié qui correspond au compresseur 2b travaille avec une température d'évaporateur légèrement inférieure à celle du premier, ce qui implique un coefficient de performance un peu moindre. Mais si le courant d'air qui traverse les évaporateurs 15a, 15b comporte un débit suffisant, cette différence est pratiquement négligeable. Lorsque tl, tout en restant supérieure à O0C, est inférieure à une certaine limite (par exemple 50C), t3 s'abaisse au-dessous de 00C et par conséquent, à moins que l'air ne soit particulièrement sec, le risque de givrage apparaît pour l'évaporateur 15b. Son coefficient d'échange de chaleur tend alors à diminuer, la résistance qu'il oppose au passage de l'air à augmenter et le coefficient de performance dé la machine à s'abais- ser. Mais aussitôt que la couche de givre a atteint une épaisseur notable, le détecteur 22b fonctionne et alerte le micro-processeur 24. Celui-ci est programmé de manière à inverser alors le ventilateur 17-18 par l'in- verseur 20 et à arrêter le groupe lb par le contacteur 4b. On passe alors à une phase de dégivrage au cours de laquelle le groupe la fonctionne seul, tandis que l'air circule dans le caisson 16 suivant les flèches en pointillé 28. Cet air entre alors à la température extérieure tl, soit par exemple 4 C; il traverse l'évaporateur 15b, alors au repos, sans céder de la chaleur au fluide caloporteur qui n'y circule plus et en faisant simplement fondre progressivement la couche de givre, ce qui n'abaisse que faiblement sa température. Il arrive ainsi à l'évaporateur a, toujours en action, à une température peu inférieure à celle d'entrée (par exemple à 30C). Il lui cède la chaleur nécessaire à assurer l'évapora- tion du fréon et il sort à une température encore supérieure à 00C (par exemple à 1'C), sans par conséquent provoquer la formation de givre. Dès que le détecteur 22b a détecté la disparition du givre, il envoie un signal au micro-processeur 24 qui remet en marche le groupe lb sans réinverser le ventilateur 17-18. On revient ainsi à peu près aux conditions initiales de fonctionnement, avec cette différence toutefois que le courant d'air est inversé et que c'est par conséquent l'évaporateur a qui reçoit l'air à la température t2 et qui comporte le risque de givrage. Quand ce risque se réalise, le détecteur 22a entre en jeu et il alerte le micro-processeur qui arrête le groupe la et inverse le ventilateur 248 406 D 17-18. Il y a à nouveau dégivrage et lorsque celui-ci est terminé, le micro-processeur 24 remet en marche le groupe la en ramenant ainsi tout l'ensemble exactement aux conditions initiales sans aucune exception. La machine fonctionne donc alors sans arrêt, sans intervention d'une énergie additionnelle pour assurer le dégivrage, avec seulement des périodes relativement courtes pendant lesquelles l'un des groupes est à l'arrêt, la puissance étant momentanément réduite de moitié. Si la température extérieure tl continue à diminuer, la durée des phases de dégivrage augmente et il arrive un moment o l'évaporateur qui se trouve seul en action pendant l'une de celles-ci givre avant que l'autre ne soit complètement dégivré. En pareil cas les deux détecteurs 22a et 22b envoient simultanément un signal de givrage au micro-processeur 24. Celui-ci répond en arrêtant les deux groupes et l'on peut alors mettre en état de fonctionnement un système approprié de dévivrage. En variante le micro-processeur 24 peut être programmé pour déclencher lui-même de telles opérations de dégivrage et pour en surveiller l'exé- cution grâce aux détecteurs 22a, 22b qui lui envoient leur information en permanence. Fig. 2 indique en vue partielle une forme d'exécution dans laquelle on utilise deux condenseurs séparés 8a, 8b comportant chacun un élément ou serpentin 7a, 7b traversé par le fréon et une chambre à eau Ila, llb, ces deux chambres étant montées en parallèle entre les canalisations 9 et 10, mais avec interposition de vannes électromagnétiques 29a, 29b dont les entrées de commande sont reliées aux lignes de sorties 26a, 26b du micro- processeur 24. L'agencement est tel que lorsqu'un groupe, tel par exemple que lb (fig. 1), est arrêté par le microprocesseur 24, la vanne correspon- dante, telle que 29b, soit fermée. Il en résulte que lors du fonctionnement d'un groupe unique, seul intervient le condenseur élémentaire correspondant (soit 8a dans l'exemple précité). Pour le débit d'eau traversant la chambre lia de ce condenseur, la température de sortie est plus basse que lors du fonctionnement des deux groupes avec demi-débit dans chaque condenseur élémentaire. Le coefficient de performance du groupe seul en fonctionnement (groupe la) est ainsi amélioré, ce qui compense en partie l'arrêt de l'autre groupe (lb). En variante on pourrait agencer les choses de façon que lorsqu'un groupe fonctionne seul le condenseur correspondant continue à ne recevoir que la moitié du débit d'eau correspondant au fonctionnement des deux groupes. On pourrait par exemple remplacer les vannes 29a, 29b par deux pompes de circulation individuelles commandées par les lignes 26a, 26b, -4 84065 des clapets anti-retour empêchant le condenseur qui correspond à la pompe arrêtée de fonctionner comme dérivation court-circuitant l'autre. Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on ne sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. C'est ainsi, par exemple, que l'invention est applicable au cas o le fluide extérieur de source froide est constitué par de l'eau à une température assez basse pour qu'il risque de se former de la glace sur les évaporateurs. Elle s'applique aussi aux pompes qui n'utilisent pas le phénomène de liquéfaction et d'évaporation du fluide caloporteur intérieur en mettant en oeuvre la compression et la détente d'un gaz non liquéfiable aux températures en cause à la source chaude. R E V E ND I C AT I 0 N S 1. Pompe à chaleur, du genre comprenant un groupe moto-compresseur, un condenseur refroidi par un fluide extérieur de source chaude évacuant les calories de la pompe, et un évaporateur qui prélève des calories à partir d'un fluide extérieur de source froide, caractérisée en ce qu'elle comprend deux pompes élémentaires dont les évaporateurs (15a, 15b) sont disposés en série sur un même courant de fluide extérieur de source froide, tandis qu'il est prévu d'une part des moyens (17, 18) pour faire circuler ce fluide à volonté dans un sens ou dans l'autre, d'autre part des moyens (22a, 22b, 24) qui, lorsque l'évaporateur qui se trouve situé en aval sur le courant dudit fluide est recouvert de givre ou glace, arrêtent le groupe correspondant, inversent le sens de circulation de ce fluide (flèches 27, 28) puis, lorsque l'évaporateur du groupe ainsi arrêté a été débarrassé de la glace ou givre, remettent en marche ce groupe sans alors modifier le sens de circulation du fluide. 2. Pompe à chaleur suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le fluide extérieur de source froide est constitué à la façon connue par l'air atmosphérique. 3. Pompe à chaleur suivant la revendication 1, caractérisée en ce que le fluide extérieur de source chaude est constitué à la façon connue par de l'eau. 4. Pompe à chaleur suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle ccmprend un condenseur unique (8) comportant une chambre (11) traversée par le fluide extérieur de source chaude et deux éléments (7a, 7b) dans lesquels circulent les fluides caloporteurs intérieurs correspon- dant respectivement à l'une et à l'autre des pompes élémentaires, des moyens étant prévus pour que ces deux éléments soient refroidis substantiel- lement dans les mêmes conditions. 5. Pompe à chaleur suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend deux condenseurs (8a, 8b) correspondant chacun à une pompe élémentaire, ces deux condenseurs étant traversés en parallèle par le fluide extérieur de source chaude, tandis qu'il est prévu des moyens (24, 26a, 26b, 29a, 29b) qui, lorsqu'un groupe (la ou lb) est arrêté, arrêtent la circulation de ce fluide dans le condenseur correspondant (8a ou 8b). 6. Pompe à chaleur suivant la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens qui, lorsque les deux évaporateurs (15a, 15b) sont tous deux givrés, arrêtent les deux groupes (la, lb) et signalent l'incident. 7. Pompe à chaleur suivant la revendication 1, dans laquelle à chaque évaporateur sont associés des dispositifs de dégivrage auxiliaires, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens qui, lorsque les deux évaporateurs (15a, 15b) sont tous deux givrés, arrêtent les deux groupes (la, lb), mettent en marche les dispositifs de dégivrage, puis, quand le dégivrage est terminé, arrêtent ces dispositifs et remettent en marche ces deux groupes.