Brevet FR2505034A1 — publié le 19821105

Machine frigorifique à compression comportant un circuit de solution et destinée en particulier à fonctionner comme pompe à chaleur La présente invention se rapporte à une machine fri- gorifique à compression destinée en particulier à fonction- ner comme pompe à chaleur et comportant un circuit de so- lution muni d'un dégazeur à partir duquel une solution pauvre est envoyée au moyen d'une pompe et en passant par un échangeur de chaleur à un absorbeur o elle absorbe la vapeur riche en frigorigène aspirée du dégazeur et compri- mée par un compresseur et de là, retourne, sous forme de solution riche, au dégazeur en repassant par l'échangeur de chaleur. Par machines frigorifiques à compression avec circuit de solution, on désigne, selon une proposition de E Alten- kirch, des machines frigorifiques à absorption qui sont en plus équipées d'un compresseur La machine frigorifique à compression avec circuit de solution décrite entre autres dans les Nos 10, 11 et 12/1950 de la revue "Kâltetechnik" de Altenkirch, présente l'avantage de permettre de réali- ser une économie d'énergie notable par rapport aux machi- nes frigorifiques à compression classiques C'est en par- ticulier le cas lorsqu'on l'utilise en tant que pompe à chaleur Etant toutefois mécaniquement plus compliquée qu'une machine frigorifique à compression normale, cette machine frigorifique à compression avec circuit de solution n'a pas encore réussi à s'imposer dans la pratique. La présente invention a par conséquent pour objet de perfectionner les machines frigorifiques à compression du type précité et, en abaissant encore leur consommation d'énergie, de compenser l'inconvénient de leur structure compliquée par rapport aux machines frigorifiques à compres- sion normales de façon à promouvoir leur utilisation sur une plus grande échelle. Ce résultat est atteint selon l'invention par le fait qu'au moyen d'une conduite de raccordement entre les conduites de solution pauvre et de solution riche reliées -2- au dégazeur, on peut faire passer l'un dans l'autre des courants partiels de ces solutions. La conduite de raccordement prévue selon l'invention et la possibilité qu'elle donne de faire passer l'un dans l'autre des courants partiels permet une grande souples- se d'adaptation aux différentes plages de températures du fluide de chauffage et du fluide frigorifique et contribue ainsi à augmenter considérablement le rendement et la ren- tabilité d'une telle machine frigorifique à compression. L'invention est basée sur le fait connu qu'en tech- nique de chauffage, il s'agit toujours de chauffer ou de refroidir des courants de matières (eau ou air) se trou- vant dans une plage de température donnée AT En raison des températures variables, il est préférable en pareil cas de prendre comme cycle de référence idéal non pas le cycle de Carnot avec ses températures constantes, mais le cycle de Lorenz qui, en système isolé, promet, par rapport au cycle de Carnot, une économie d'énergie théorique d'autant plus grande que la plage de températures est plus large On a constaté que le cycle de Lorenz est encore plus favorable en système non isolé extrêmement important pour l'utilisation en tarnt que pompe à chaleur et par con- séquent permet une économie d'énergie supplémentaire. Un mode de réalisation particulièrement avantageux selon l'invention, consiste à installer derrière le déga- zeur une conduite de raccordement par laquelle un courant partiel de la solution pauvre peut être réinjecté dans la solution riche retournant au dégazeur. Selon une autre particularité de l'invention, la conduite de raccordement est reliée, d'une part, à la con- duite de solution pauvre entre la pompe à solvant et l'é- changeur de chaleur et, d'autre part, à la conduite de so- lution riche entre l'échangeur de chaleur et le dégazeur. Grâce à la réinjection, derrière l'échangeur de chaleur selon l'invention d'un courant partiel prélevé entre la pompe à solvant et l'échangeur de chaleur, on arrive à adapter de façon aussi précise que l'on veut les tempéra- -3- tures du fluide de chauffage aux températures du fluide frigorifique. Il est par ailleurs avantageux selon l'invention d'installer dans la conduite de raccordement une valve de régulation par laquelle la réinjection du courant partiel s'effectue conformément à l'état de fonctionnement momen- tané de la machine frigorifique à compression avec circuit de solution. L'invention sera mieux comprise à l'aide de diagram- mes et de tableaux ainsi que de la description d'un mode de réalisation pris comme exemple, mais non limitatif, et illustré par le dessin annexé, sur lequel: La figure 1 est un schéma de montage simplifié d'une machine frigorifique à compression avec circuit de i 5 solution; la figure 2 est un diagramme schématique pression- température (lg p: 1/T) d'un mélange frigorigène-solvant; la figure 3 représente schématiquement la courbe de température en cycle interne et externe (fluide de chauffage et fluide frigorifique) en fonction de la lon- gueur L de l'échangeur de chaleur de la machine frigorifi- que à compression avec circuit de solution; la figure 4 représente la puissance calorifique d'un cycle de Carnot ú et d'un cycle de Lorenz úL, en fonction des conditions des cycles externes; la figure 5 représente la puissance calorifique de la machine frigorifique à compression avec circuit de so- lution en fonction du courant partiel et de la pression d'aspiration PO; la figure 6 représente le rapport entre les puis- sances de chauffage volumétriques d'une machine frigorifi- que à compression avec circuit de solution et d'une machine frigorifique à compression normale avec frigorigène à un seul composant en fonction de la pression d'aspiration P 0. Une machine frigorifique à compression avec circuit de solution représentée dans son principe sur la figure 1 comporte pour l'essentiel un dégazeur E, une pompe à sol- -4- vant P, un échangeur de chaleur T, un absorbeur R, un or- gane d'étranglement X ainsi qu'un compresseur V Conformé- ment au diagramme lg p T de la figure 2, le compresseur V aspire du dégazeur E de la vapeur riche en frigorigène (par exemple NH 3 du solvant H 20) d'état &û La solution se dégaze alors et passe de l'état à l'état OE dans une zone de températures à laquelle les températures du fluide fri- gorifique (par exemple l'air) peuvent être adaptées par contre-courant La solution pauvre ma est portée par la pompe P à une pression supérieure p et amenée à l'absor- beur R après avoir été préchauffée dans l'échangeur de chaleur T Dans l'absorbeur R, elle rencontre le gaz fri- gorigène mi à l'état O comprimé par le compresseur V et l'absorbe dans la zone de températures avec changement d'état de à È La quantité de chaleur Q est alors cédée au fluide de chauffage (par exemple l'eau) à chauffer et s'écoulant en contre-courant La solution mr ainsi enrichie r à l'état O traverse finalement l'échangeur de chaleur T et l'organe d'étranglement X pour revenir au dégazeur E, o elle peut à nouveau capter la quantité de chaleur QO. Lorsque l'on utilise en tant que pompe à chaleur la machine frigorifique à compression représentée et décrite avec circuit de solution, on peut obtenir une économie d'énergie considérable en raison du fait qu'en technique de chauffage il s'agit toujours de chauffer ou de refroi- dir des courants de matières (eau ou air), dans une plage de températures à T En raison des températures variables, il y a lieu en pareil cas de prendre comme cycle de réfé- rence idéal, non pas le cycle de Carnot avec ses tempéra- tures constantes, mais le cycle de Lorenz. Le fait que le cycle de Lorenz en système isolé pro- met une économie d'énergie théorique d'autant plus impor- tante que la plage de températures est plus grande, a déjà été démontré (voir "rationelle Eneraienutzung in Kâltean- lagen" H Lotz, Kongress Expoclima 76, p 57/85) Comme indiqué ci-après, le cycle de Lorenz en système non isolé permet toutefois de réaliser encore une économie d'énergie. -5- En prenant les désignations de la figure 3, la puis- sance calorifique c C du cycle de Carnot peut être repré- sentée par l'équation: C = 1 _ 1 T 2 A T lexp(AT/i) 1 l ( 1) T 2 + A T lexp(AT/?)w 1 l W 2 W tandis que la puissance calorifique e L du cycle de Lorenz, en prenant pour hypothèse A Tws= Tw-Ts= a+ b Tw et LX "locale"= T Wx/ A Tws, peut être représentée par l'équation: 1 L L Xdwx à Twx A W a +b (T V_ 1 a 2 a + b w =*l1 _ *iln ( 2 a) b b A Tw a + b (Tw 2 + 4 W -AT) avec les abréviations: b = 1 a Ts A Tw a ( 1b) (T A T)-(T ( 1 -b) (Tw 2 W) S 2 s) En prenant A Ts = A Tw, l'équation ( 2 a) se simplifie et devient: L = L Ts 2 +s a T /2 ( 2 b) s s 1 - Tw 2 + 4 -A T /2 W W tw 2 +Jwaw/ Les valeurs portées sur la figure 4 pour EC et EL en fonction de la différence efficace de température S, dans le condenseur ou l'évaporateur (ou en fonction de la valeur k A, qui en est dérivée et rapportée à la valeur k A pour t= 1 K, des échangeurs de chaleur) montrent qu'en parti- culier en cas de petites différences de température infé- -6- rieures à 4 K (ou de valeurs relatives k A au-dessus de 0,3) le cycle de Lorenz donne manifestement de meilleures valeurs que le cycle de Carnot Ces valeurs sont d'autant plus élevées que la plage de température A T est plus grande. Avec la machine frigorifique à compression décrite, avec circuit de solution suivant Altenkirch, il était déjà possible de réaliser un tel cycle de Lorenz Cette machine présentait toutefois l'inconvénient que ce perfectionnement illustré à la figure 4 ne portait pleinement ses fruits que lorsque les plages de température A T étaient égales dans l'absorbeur et dans le dégazeur, c'est-à-dire lorsque le fluide de chauffage était réchauffé de la môme valeur que le fluide fricorifique était refroidi Un tel état est toutefois extrêmement rare, et ce sont en général des états différents que l'on rencontre le plus souvent si bien que l'économie d'énergie réalisable diminue d'autant. Avec la machine frigorifique à compression avec cir- cuit de solution suivant Altenkirch modifiée et décrite ici, cet inconvénient est supprimé de la façon suivante: En réinjectant un courant partiel ix derrière le dé- gazeur E, on arrive à adapter à volonté exactement l'une à l'autre une plage de température A Ts du fluide frigorifi- que différente de la plage de température A Tw du fluide de chauffage et ce, en modifiant le courant partiel mx Cela constitue par ailleurs également un avantage manifeste par rapport à la machine frigorifique à compression à frigori- gènes non azéotropes dans laquelle les plages de tempéra- ture dans le condenseur et l'évaporateur ne dépendent, com- me on le sait, que de la concentration et, par conséquent, sont rigides et sensiblement de mêmes valeurs. A l'aide de bilans thermiques et quantitatifs et en partant de l'hypothèse que dans l'échangeur de chaleur T,en cas d'échange total de chaleur, on peut obtenir t 5 a = t 31, que dans le dégazeur E ou dans l'absorbeur R, la différence de température -'est maintenue constante par un contre-cou- rant approprié sur la longueur de l'échangeur de chaleur, -7- et que l'absorption d'énergie de la pompe est négligeable, on obtient pour la puissance calorifique avec la désigna- tion de la figure 1: l 1 _ e 3 1 _ -5 h 2 + h 5 a 3 5 3 3 5 cy ( 3) CKML= h 2 h 1 En pareil cas, les concentrations e 1 et Es sont fixées par la pression tout d'abord choisie librement po O et la température tsl 6 s, tandis que l'enthalpie hsa est déter- minée par la température twl + 6 w' Le courant partiel f à régler selon l'équation ( 4) détermine la concentration de la solution riche 63: mx 5 6 'a -3 x ( 4) m 65 4 a e 3 -5 , étant donné par p et t 6 Par ailleurs l'enthalpie est h 2 après compression avec àeen tant que coefficient isentropique et c en tant que pmn capacité calorifique spécifique du mélange gazeux ainsi que N is en tant que rendement rapporté à la compression isen- tropique: i Cpm p _ h 2 = hl + Ti l( _) 2 ( 5) 1 is Po Tous les calculs suivants pour la machine frigorifique à compression avec circuit de solution sont effectués pour le mélange solvant frigorigène NH 3/H 20, attendu qu'en raison de son utilisation prédominante dans des installa- tions d'absorption, il apparaît logique de l'employer éga- lement dans la machine frigorifique à compression avec cir- cuit de solution D'autres mélanges sont néanmoins égale- -8- ment envisageables, mais devront être étudiés avec soin par suite des exigences spéciales inhérentes à la machine frigorifique à compression avec circuit de solution. Dans le tableau annexé, on a porté à titre compa- ratif différentes puissances calorifiques pour des écarts de températures de 1 K et de 5 K au niveau des échangeurs de chaleur Les conditions extérieures "réchauffage du fluide de chauffage de 10 K à partir de 450 C et refroidis- sement du fluide frigorifique de 5 K à partir de 50 C" ont été choisies, étant donné qu'elles représentent un état de fonctionnement apparaissant fréquemment et que ces plages de températures différentes t Tw et à Ts indiquent clairement l'avantage de la régulation par courant partiel. Les puissances calorifiques des cycles compara- tifs suivant Carnot s C et Lorenz c L sont déterminées à l'aide des équations ( 1) et ( 2) Les valeurs pratiques pour la machine frigorifique à compression avec R 22 et avec le mélange frigorigène non azéotrope constitué de R 22 / R 114 proviennent de valeurs mesurées en système isolé suivant Jakobs ( 5) La puissance calorifique pour la machine frigorifique à compression avec solvant a été cal- culée avec l'équation ( 3)pour '' établissement du courant partiel proposé. Le tableau montre distinctement qu'en raison de la souplesse d'adaptation, obtenue par régulation par cou- rant partiel de la machine frigorifique à compression avec circuit de solution, aux différentes plages de température du fluide de chauffage et du fluide frigorifique, la ma- chine frigorifique à compression avec circuit de solution permet manifestement d'obtenir des puissances calorifiques plus élevées qu'une machine frigorifique à compression avec frigorigènes non azéotropes, avec plage de tempéra- ture adaptée dans au moins un échangeur de chaleur (/a T = K pour = 0, 790) En cas de mauvaise adaptation de la machine frigorifique à compression avec frigorigènes non azéotropes aux plages de températures externes (ici par exemple pour a T = 16 5 K avec C = 0,56, qui représentent -9- 9 maximale en système isolés celle-ci se situe même aux valeurs de la machine frigorifique à compression avec fri- gorigène à un seul composant Bien entendu, c'est la machi- ne frigorifique à compression à un seul composant avec R 22 qui présente les valeurs les plus basses et cela en parti- culier en cas d'échangeurs de chaleur de grandes dimensions (c'est-à-dire faibles différences de température d). Sur la figure 5, la puissance calorifique de la machine frigorifique à compression avec circuit de solu- tion dans le mode de réalisation décrit ici a été portée en fonction du courant partiel f selon l'équation ( 4) et de la pression d'aspiration p O La partie supérieure de la figure 5 montre que EKML monte constamment à partir du cou- rant partiel f = O jusqu'à ce que la valeur maximale fmax soit atteinte Celle-ci dans le circuit se traduit selon l'équation ( 4) par une concentration t 3 = g 3 max qui corres- pond à la concentration de saturation au point i (figure 1), déterminée par la pression p et la température t W 2 + w Dans la partie inférieure de la figure 5, on peut voir qu'avec fmax comme paramètre, les puissances calorifiques présentent en fonction de la pression d'aspiration p O un optimum qui se situe à des pressions relativement basses. Ces valeurs maximales sont portées dans le tableau. Une vérification du calcul montre qu'il est pos- sible de négliger la puissance de la pompe à solvant pour la détermination de EKML attendu qu'elle-même au cas o la pompe a un rendement de 25 % n'atteint qu'environ 0,25 % de la puissance du compresseur. La dérivation de-courant partiel Nmy schématisée y par des lignes en trait mixte sur la figure 1 et dans la- quelle, à l'inverse de la dérivation de courant partiel "mx ", une partie de la solution riche provenant de l'échan- geur de chaleur T est injectée dans la conduite de solution pauvre provenant du dégazeur E, constitue une autre possibi- lité, mais entraîne par ailleurs des pertes de mélange ir- réversibles relativement élevées et est par conséquent moins avantageuse que la régulation 'mx" représentée par - des lignes en trait plein sur la figure 1 Elle fournit des puissances calorifiques qui, par exemple pour le cas calculé selon le tableau avec S = 5 K, ne représentent qu'environ 85 % de celles obtenues par régulation avec le courant partiel "mx". Les pressions d'aspiration relativement basses sont caractéristiques de la machine frigorifique à compres- sion avec circuit de solution Il en résulte, comme illus- tré sur la figure 6, une faible puissance de chauffage vo- lumétrique qv par rapport à la machine frigorifique à com- pression avec frigorigène à un seul composant Sur la fi- gure 6, on a porté le rapport vq entre la puissance de chauffage volumétrique de la machine frigorifique à compres- sion avec circuit de solution et celle de la machine fri- gorifique à compression à un seul composant R 22 pour deux écarts de températures différents Sau niveau de l'échan- geur de chaleur La puissance de chauffage volumétrique augmente fortement à mesure que croit la pression d'aspi- ration Ces puissances de chauffage volumétriques relati- vement faibles ne modifient assurément pas considérablement la grandeur des échangeurs de chaleur, attendu que ce sont ici des solutions liquides qui circulent et que les proces- sus de dégazage et d'absorption, grace aux grands volumes de gaz en circulation et à la possibilité de créer des pressions différentielles par compression, peuvent être exécutés favorablement, c'est-à-dire avec surface d'échan- ge de chaleur relativement petite Seules les dimensions du compresseur se trouvent sensiblement modifiées. Dans ces conditions, il est particulièrement avan- tageux d'utiliser aes turbo-compresseurs, par exemple des com- presseurs X ailettes, sans grande réaction vis à vis d'un mélange gazeux éventuellement humide. La machine frigorifique à compression décrite et représentée avec circuit de solution permet, en réglant exactement le courant partiel variable mx à différentes plages de température dans le dégazeur et dans l'absorbeur, d'obtenir à chaque fois la puissance calorifique maximale. 11 - Comme organes de commande, on peut utiliser des micropro- cesseurs qui, pour la commande du courant partiel m% peu- vent traiter les différentes conditions de fonctionnement de façon à ce que l'on opère constamment avec le courant partiel maximal fmax. TABLEAU TABLEAU réchauffage du fluide de chauffage de twl 45 à t W 2 = 55 C (Tw = 10 K) refroidissement du fluide frigorifique de t sàt = 5t = O C (T = 5 K) si 52 différence de température moyenne dans les échangeurs de chaleur 6 = = 1 et 5 K rendement nis rapporté à la puissance de compression isentropique pour la KKM avec R 22 et avec NA R 22/R 114 suivant les mesures de l 5 l et pour le calcul de KML nis = 0,726. Différence de température 6 au niveau K 1 5 des échangeurs de chaleur Carnot puissance calorifique C,96 5,54 Lorenz puissance calorifique úL 6, 55 5,71 puissances calorifiques de: KKM avec R 22 suivant l 5 l 3,36 3,12 KKM avec NA R 22/R 114 suivant l 5 l pour 9 = 0,79 (A T = 10 K) 3,61 3,20 I" = 0,56 (A T = 16,5 K) 3,29 3,11 KML d'après cet ouvrage pour po O maximal selon figure 5 4,22 3,77 KKM = machine frigorifique à compression, KML = machine frigorifique à compression avec circuit de solution, NA = Mélange frigorigène non azéotrope 12 - l 5 l "Beitrag zur Verwendung von nichtazeotropen Zweistof- fkâltemitteln in Wârmepumpen" (article sur l'utilisation de frigorigènes à deux composants non azéotropes dans les pompes à chaleur"), R M Jakobs, thèse de doctorat Université de Hanovre 1980. 13 - REVENDICATIONS 1. Machine frigorifique à compression avec circuit de solution et destinée en particulier à fonctionner comme pompe à chaleur, comportant un dégazeur à partir duquel une solution pauvre dans le circuit de solution est amenée, au moyen d'une pompe et en passant par un échangeur de chaleur, à un absorbeur o elle absorbe la vapeur riche en frigori- gène aspirée du dégazeur et comprimée par un compresseur et d'o elle revient sous forme de solution riche au dé- gazeur en repassant par l'échangeur de chaleur, caractéri- sée par le fait qu'au moyen d'une conduite de raccordement entre les conduites de solution pauvre et de solution ri- che reliées au dégazeur (E) on peut faire passer l'un dans l'autre des courants partiels de ces solutions. 2 Machine frigorifique à compression selon la re- vendication 1, caractérisée par le fait que derrière le dégazeur (E) est disposée une conduite de raccordement par laquelle on effectue une réinjection d'un courant partiel (mx) de la solution pauvre ( 7) dans la solution riche ( 4 a) retournant au dégazeur (E). 3. Machine frigorifique à compression selon la re- vendication 1 ou 2, caractérisée par le fait que la condui- te de raccordement est reliée, d'une part, à la conduite de solution pauvre ( 7) entre la pompe (P) et l'échangeur de chaleur (T) et, d'autre part, à la conduite de solution riche ( 3 a) entre l'échangeur de chaleur (T) et le dégazeur (E). 4. Machine frigorifique à compression selon l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3, caractérisée par le fait que dans la conduite de raccordement se trouve une valve de régulation par laquelle la réinjection du courant partiel (nix) s'effectue conformément à l'état de fonction- nement momentané de la machine frigorifique à compression avec circuit de solution. 5 Machine frigorifique à compression selon la re- vendication 1, caractérisée par le fait que derrière le 14 - dégazeur (E) est disposée une conduite de raccordement par laquelle s'effectue, en amont de la pompe à solvant (P), une réin 4 ection d'un courant partiel (ly) de la solution riche ( 4 a) dans la solution pauvre ( 7 a) venant du dégazeur (E). 6. Machine frigorifique à compression selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait que le compresseur (V) est réalisé sous la for- me d'un turbo-compresseur, de préférence d'un compresseur à ailettes.