Brevet FR2474149A1 — publié le 19810724

L'invention se rapporte à un dispositif de récupération des calories dissipees par un compresseur d'une pompe à chaleur du type utilisé principalement pour le chauffage des logements et de l'eau sanitaire. Les pompes à chaleur comprennent généraement un circuit fermé de fluide frigorigène sur le parcours duquel sont disposés un évaporateur ou échangeur froid, un compresseur, un détendeur et un condenseur ou échangeur chaud, ces éléments permettant de puiser des calories à un milieu ambiant et de les restituer à un fluide caloporteur. Le milieu ambiant peut être par exemple constitué par l'air vicié extrait du logement par ventilation mécanique et le fluide caloporteur par de l'eau. On sait que l'on peut reporter sur un diagramme enthalpique, l'é- solution du fluide frigorigêne 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 :vec 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 l'organe de détente, - puis se vaporise selon une isotherme basse pression dans l'évaporateur avec accroissement d'enthalpie et enfin pénètre dans le compresseur pour un nouveau cycle.Les calories sont donc prélevées au milieu ambiant par évaporation du fluide frigorigéne dans l'évaporateur et ensuite restituées au fluide caloporteur par condensation dudit fluide frigorigène dans le condenseur. L'augmentation d'enthalpie dans le compresseur est procurée par un travail mecanique qui provoque des pertes qui sont d'origine électrique (enroulement moteur) et d'origine mécanique (piston, cylindre, clapet). Dans les appareils comme les pompes à chaleur qui ont pour but d'economiser l'énergie, cette ressource supplémentaire ne doit pas etre négligée et il est par conséquent sou habitable de pouvoir récupérer ces calories pour améliorer le rendement de l'installation. Ces calories peuvent être récupérées directement par le fluide frigorigène à l'état gazeux qui circule dans le compresseur, mais cette solution rencontre certaines limites du fait que cela entraine 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 limite pour des raisons de longévité du compresseur frigorifique, en particulier lorsqu'il s'agit d'un compresseur de type hermétique.En effet, les fluides frigorigènes peuvent donner naissance à température élevée à des acides qui attaquent les parties méta-liques du circuit frigorigène et entrainent soit un blocage mecanique du compresseur, soit une destruction de l'isolant des bobinages du moteur électrique d'entrainement dudit compresseur. Une autre solution consiste à récupérer les calories au niveau du carter du compresseur par une ventilation forcée dudit compresseur pour entrainer un abaissement notable de la température des gaz brûlés et un transfert des calories ainsi recupérées sur l'évaporateur de la pompe à chaleur. Mais ce dispositif conduit à une conception assez complexe du circuit de ventilation et multiplie les échanges thermiques entre les différents fluides, et conduit en particulier à un surdimensionnement de l'évaporateur. Une troisième solution consiste à refroidir directement l'huile contenue dans le carter du compresseur. Cette huile est mise en circulation dans le mécanisme du compresseur grâce à une pompe qui lui est appropriée. Elle se réchauffe à cause des pertes électriques et mécaniques du moteur et du compresseur. Pour refroidir cette huile, on peut de façon classique faire passer le fluide de frigorigène en cours de condensation dans un petit tube de re eroidissement d'huile situé à la base du compresseur. Mais cela oblige à avoir le condenseur en deux parties avec une entre et une sortie Intermédiaires de fluide frigorigène ce qui augmente le prix de revient de l'appareil. On peut également assurer le refroidissement par eau en utilisant un circuit d'eau en parallèle avec le condenseur. Mais ce système peut être dangereux au moment du démarrage sur eau froide En effet il risque de créer un point froid dans le circuit rrigori- fique au niveau du compresseur et d'amener une accumulation de fluide frigorigène liquide ce qui provoque des coups de liquide au moment du démarrage. L'invention permet d'éviter ces inconvénients et a pour but de récupérer d'une meilleure façon les pertes électrsues et mécaniques du compresseur donc d'améliorer le rendement tot en mai n tenant le régime de fonctionnement dudit compresseur dans des limites assurant sa longévité, notamment en ce qui concerne les températures des gaz refoulés. Suivant l'invention, le fluide frigorigène qui circule dans un circuit fermé comprenant l'évaporateur, le compresseur, le détendeur et le condenseur,subit après sa détente un début d'évaporation provoqué par la chaleur produite par les pertes électri- ques et mécaniques du compresseur. D'autres caracteristiques et avantages de l'invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante en référence aux dessins annexés qui représentent - figure 1 : une vue schématise d'un circuit frigorifique d'une pompe à chaleur conforme à l'invention. - figure 2 : un diagramme enthalpique illustrant un cycle frico rifique avec et sans refroidissement du compresseur. On a représenté sur la figure 1 une pompe à chaleur désignée dans son ensemble par la référence 1 comprenant un compresseur 10, un échangeur chaud ou condenseur 11, un détendeur 12 et un échangeur froid ou évaporateur 13, ces organes étant parcourus dans le sens indiqué par les flèches par un fluide frigorigène et constituent le circuit frigorifique proprement dit de la pompe à chaleur. Un ventilateur 2 assure la circulation du flux d'air extrait formant la source chaude, d'une gaine 3 vers l'évaporateur 13 puis dans la gaine 4. Le condenseur 11 est du type condenseur à eau, l'eau ou fluide caloporteur constituant la source froide pour la pompe à chaleur et alimentant en boucle fermée un circuit d'uti libation 20 pour le chauffage du logement et/ou d'un réservoir de production d'eau chaude sanitaire. Conformément à l'invention, le circuit frigorifique en aval du détendeur 12 dans le sens de circulation du fluide frigorifique n'aboutit pas directement à l'évaporateur mais emprunte un parcours détourné 14 vers un petit tube-échangeur 15 disposé dans l'huile à la base de la cloche du compresseur 10 de telle manière que ledit fluide frigorigène commence a s'évaporer grâce aux calories apportees par l'huile chaude et par conséquent refroidisse energiquement cette huile. On va maintenant décrire le cycle frigorifique du fluide frigorigène en se reportant au diagramme enthalpique représente sur la figure 2. Ce diagramme porte en abcisses les enthalpies en Kcal/kg et en ordonnées les pressions absolues. On sait que les changements d'etat du fluide frigorigène peuvent être repérées sur un tel diagramme par une courbe Ade saturation liquide/vapeur. Dans la région comprise dans la concavité de cette courbe, le fluide est à 1-état aphasique (condensation ou évaporation) à droite de la courbe, dans le domaine 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. Sur ce diagramme, le cycle du fluide frigorigène sans refroidissement du compresseur peut être représenté schématiquement par le contour a, b, c, d, e, f, et a. L'étatdu fluide à l'entrée du compresseur 10 est indique par le point a (vapeur surcahuffée). La vapeur est comprimee jusqu'en b et sort par conséquent du compresseur à l'état fortement surchauffé ; elle se refroidit dans le condenseur 11 sous l'action de la source froide jusqu'à atteindre la courbe A de vapeur saturante (point c) puis se condense à température constante jusqu'à transformation complete en liquide saturé en d ; ce liquide est légèrement sous-refroidi par la source froide jusqu'à sa sortie du condenseur en e correspondant a l'introduction dans le détendeur 12. Le fluide revient alors à l'état bipnasique (détente e, f), s'évapore dans l'évaporateur 13 (f, a) sous l'actif de la source chaude et est réintroduit dans le compresseur 10 à l'état légè- rement surchauffe en a. Quand le fluide frigorigêne circule dans le petit tube-échangeur 15 situé dans l'huile chaude du compresseur 10, en aval du détendeur 12, il subit un obut d'évaporation (f - f1) du fluide fri origine avec une récupération des pertes si bien que les vapeurs a l'entrée et a la sortie du compresseur (a1 - b1) se trouvent refroid,es. Cela est indiqué clairement sur le diagramme de la figure 2 ou les points a1 et bi à l'entrée et à la sortie du compresseur se trouvent sur des isothermes de température B inférieurs aux isothermes correspondants aux points a et b lorsqu'il n'y a pas de refroidissement du compressear ce qui se traduit pour la pompe à chaleur dans son ensemble, par une possibilité supplémentaire d'évaporation du fluide friyorigène et permet par conséquent d'augmenter la puissance disponible sur l'évaporateur et sur le condenseur. Par ailleurs, cet-te dispos4tion permet de récupérer d'une meilleure façon les pertes électriques et mécaniques donc d'améliorer le rendement tout en maintenant le régine de fonctionnement du compresseur dans des limites acceptables assurant sa longévité, notamment en ce qui concerne les températures des vapeurs refoulés. De plus, ce refroidissement du compresseur n'ayant lieu que lorsque la pompe à chaleur est en fonctionnement, il ne risque pas d'y avoir à l'arrêt, la création d'un point froid qui provoquerait l'accumulation de fluide frigorigène dans la cloche du compresseur Cette disposition permet également d'éviter des circuits compliqués de ventilation du compresseur et de diminuer les dimensions de la pompe à chaleur. La description se rapporte à un mode de réalisation préférentielle de l'invention, des variantes pouvant être envisagées sans sortir du cadre de cette invention R E V E 5 D I C A T I 0 N S 1/ Dispositif de récupération des calories dissipées par un comp presseur d'une pompe à chaleur utilisée pour le chauffage cen tral et/ou la production d'eau chaude sanitaire et comprenant un circuit ferré de fluide frigorigène sur le parcours duquel sont disposés un évaporateur ou échangeur froid, un compresseur, un détendeur et un condenseur ou échangeur chaud caractérisé par ie fait que le fluide frigorigène subit après sa détente un debout d'évaporation provoqué par la chaleur produite par les pertes électriques et mécaniques du compresseur. 20/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le fluide frigorigène circule en aval du détendeur (12) dans un parcours détourné t14) vers un petit tube-échangeur (13) disposé dans l'huile à la base de la cloche du compresseur (10).