Brevet FR2525330A1 — publié le 19831021

Pompe à chaleur à compression sur l'air entraînée par m moteur thermique et munie d'un dispositif de dégivrage. La présente invention a pour objet une pompe à chaleur à compres- sion sur l'air dont le circuit fermé, contenant le fluide frigorigène, comprend en série, un compresseur entraîné par un moteur thermique, un condenseur et un évaporateur. Les pompes à chaleur sur l'air, pour pouvoir disposer d'une durée annuelle de service et/ou d'une puissance frigorifique suffisante pour assurer leur rentabilité, doivent, dans la majorité des cas, pouvoir fonctionner dans des conditions telles que l'apparition de givre sur l'évaporateur est inévltable. Si une légère efflorescence de givre n'est pas préjudiciable aux échanges de chaleur au niveau de l'évaporateur, par contre, une accumulation de givre est particulièrement néfaste et peut conduire au blocage complet de la machine. I1 en résulte que ces machines doivent être munies, de manière quasi-systématique, d'un système efficace de dégivrage de l'évaporateur. Pour résoudre le problème du dégivrage, un certain nombre de solutions ont été proposées, qui présentent en commun le fait d'avoir été développées pour les pompes à chaleur utilisant l'électricité comme force motrice. Parmi ces procédés on peut citer: Le procédé dit "par dérivation de gaz chauds" : lorsque le besoin de dégivrage est détecté, l'ouverture d'une simple vanne de dérivation permet au compresseur de débiter directement des gaz chauds dans l'évaporateut, le condenseur et le détendeur étantby-passés. Les avantages de re procédé résident dans une certaine simplicité de réalisation au niveau du circuit frigorifique, l'absence de prélèvement de chaleur à la source chaude et, au total, un assez faible coût énergétique. Par contre, ce procédé ne procure qutune assez faible puissance de dégivrage pouvant aller jusqu'a l'inefficacité dans certaines configurations de machines. Le procédé dit "par inversion du cycle frigorifique" : en cas de nécessité de dégivrage, on intervertit les rôles respectifs de leévaporateur et du condenseur, la chaleur dégagée pendant la phase de dégivrage au niveau de l'évaporateur permettant de faire fondre le givre. Ce procédé est généralement mis en oeuvre au moyen d'une vanne à quatre voies permettant l'inversion de l'alimentation en fluide frigorigè de leévaporateur et du condenseur. L' avantage de ce dispositif est de fournir une bonne puissance de dégivrage permettant d'assurer la fonction dans tous les cas. Les inconvénients en sont par contre nombreux et importants : le coût de réalisation est élevé, le circuit frigorifique est complexe, ce qui peut provoquer un certain manque de fiabilité, un prélèvement de chaleur à la source chaude est effectué, et son coût énergétique n'est pas négligeable. De plus, le séquencement souhaitable des opérations lors du degivrage (arrêt du compresseur avant la manoeuvre de la vanne à quatre voies est peu compatible avec un entrainement par moteur thermique. Le procédé utilisant des résistances électriques serties dans l'évaporateur : ce procédé a le mérite d'une très grande simplicité, d'une bonne efficacité et d'une grande robustesse, mais nécessite une puissance électrique appelée importante et une forte dépense énergétique. Ces divers procédés, dont l'énumération n'est pas limitative, qui ont été mis au point pour être appliqués sur des machines mues par l'électricité, ne tirent pas profit des spécificités d'une machine dont le compresseur est entraîné par un moteur thermique, oumême sont peu compatibles avec un fonctionnement correct du moteur thermique (nécessité d'arrêter le compresseur à chaque manoeuvre de la vanne à quatre voies dans le cas de l'inversion du cycle). L'invention proposée a pour but, au contraire, de tirer avantage de la présence inévitable de fluides caloporteurs portés à très haute température lors du fonctionnement normal du moteur thermique. En particulier, si le moteur est du type à refroidissement par eau, le mieux approprié pour l'entraînement d'une pompe à chaleur, on dispose très naturellement d'un débit d'eau à 85-900 qui est, en phase de fonctionnement normal de la machine, dirigé vers le circuit d'utilisation de la pompe à chaleur. De plus, la récupération de la chaleur véhiculée par les gaz d'échappement du moteur conduit la plupart du temps à la mise en place d'un échangeur gaz d'échappement-eau, qui permet lui aussi de disposer d'un débit d'eau à 85-90 au moins, dirigé lui aussi, en marche normale, vers le circuit d'utilisation de la pompe à chaleur. On peut donc considérer que, dans la quasi-totalité des cas, on dispose d'un débit important d'eau à 85-900 dans les pompes à chaleur entraînées par un moteur thermique. En cas de nécessité de dégivrage, cette eau constitue un agent de dégivrage idéal, puisqu'elle est à très haute température, qu'elle présente une chaleur massique maximale et qu'il est éventuellement possible de stocker une capacité de dégivrage importante sous un faible volume et pour un faible coût Dans ce but, l'invention propose une pompe à chaleur du type décrit plus haut, caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de dégivrage de l'évaporateur comprenant des conduits incorporés à ltévaporateur, ces derniers étant susceptibles d'être alimentés, pendant la phase de dégivrage par un fluide caloporteur provenant du moteur thermique. L'invention consiste donc à insérer dans la structure de leévapora- teur des conduits qui permettent la circulation, pendant la période du dégivrage, d'eau à 85-90 en provenance des circuits de refroidissement ou de récupération de chaleur du moteur thermique. L'insertion de conduits dans l'évaporateur est particulièrement simple dans le cas d'un évaporateur du type "tubes et ailettes" en effet, on peut réserver un certain nombre de tubes, régulière ment espacés et qui serviraient normalement à la circulation du fluide frigorisène, à la circulation de l'eau de dégivrage, un collecteur d'eau étant prévu à chaque extrémité de l'évaporateur. Au cours de la séquence de dégivrage, il est naturellement indispensable de suspendre la production du froid à l'évaporateur. La manière la plus simple consiste à stopper le moteur, ou à le faire tourner au ralentit en puisant la chaleur nécessaire au dégivrage dans un stockage d'eau chaude prévu à cet effet. Cepen- dant, cette solution n'est pas entièrement satisfaisante, tant sur le plan de la longévité du moteur que sur la qualité de l'exploitation (arrêt de toute production de chaleur). Une solution plus satisfaisante consiste à coupler le procédé de dégivrage selon l'invention avec le procédé connu dit "par dérivation de gaz chauds" : on aboutit alors à un système de dégivrage particulièrement puissant et efficace, n'obligeant pas à faire varier la vitesse du moteur, et ntinterrompant pas totalement la production de chaleur à l'utilisation puisqu'une partie du fluide caloporteur provenant du moteur reste disponible. On décrira maintenant un mode de réalisation non limitatif de l'invention en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure 1 représente une pompe à chaleur à entraînement par moteur thermique munie d'un dispositif de dégivrage conforme aux enseignements de la présente invention - les figures 2 et 3 représentent respectivement la vue de côtéet la vue de face d'une section d'un évaporateur classique du type à tubes et ailettes serties sur les tubes - les figures 4 et 5 reysrésentent respectivement la vue de côté et la vue de face d'un évaporateur à tubes et ailettes réalisé conformément aux enseignements de la présente invention La pompe à chaleur représentée à la figure 1 comprend un circuit fermé dans lequel circule un fluide frigorigène tel que par exemple du fréon. 1 circuit comprend un compresseur JO, un condenseur 12 et un évaporateur t4. Le compresseur 10 est entraîné par un moteur thermique 16 auquel il est relié par l'intermédiaire d'un accouplement 18. Le compresseur 10 aspire par une tubulure 20 le fluide frigorigène évaporé dans l'évaporateur 14 et refoule le fluide frigorigène comprimé dans le condenseur 12 par la tubulure 22. Le fluide frigorigène, sortant du zonde ;seur 12, est détendu par un détendeur 24, disposé entre le condenseur 12 et l'évaporateur 14, avant d'aller à nouveau alimenter l'éva- porateur 14. Une canalisation 26, branchée en dérivation sur la tubulure 22, oermet de court-circuiter le condenseur 12 et le détendeur 24 au moyen d'une vanne électromagnétique 28 qui est fermée en phase de marche normale de la pompe à chaleur et ouverte pendant les séquences de dégivrage, réalisant ainsi un système connu en soi de dégivrage par dérivation de gaz chauds. Le circuit de refroidissement du moteur thermique 16 comporte un dispositif de stockage 30 du fluide caloporteur de refroidissement, une vanne à trois voies 32 dirigeant l'eau à 85-?)00 issue du stockage 30 soit en 40 vers les tubes à eau de ltévaporateur selon l'invention, soit vers un réseau d'utilisation 34 du circuit de refroidissement du moteur. L'eau sortant en 42 de l'évaporateur 14 est réinjectée en aval du réseau 34 dans le circuit de refroidissement du moteur En phase de marche normale de la pompe à chaleur, la vanne 32 est positionnée de manière à faire circuler la totalité du débit d'eau dans le réseau 34, tandis qu'en phase de dégivrage, la vanne 32 dirige tout ou partie du débit d'eau vers l'évaporateur, alors que la vanne zblectromaynetique 28 est simultanément ouverte pour court-circuiter le condenseur 12 et le détendeur 24, alimentant ainsi i 'Jvaporateur 14 en gaz chauds. En phase de dégivrage, l'évaporateur 14 est simultanément alimenté en eau très chaude et en gaz chauds : la puissance calorifique de dégivrage ainsi disponible est considérable et conduit à des durées de dégivrage très courtes, sans qu'il y ait prelèvement de chaleur au circuit d'utilisation 13 du condenseur, ni nécessité de modifier le régime de marche du moteur thermique 16. La figure 2 et la figure 3 représentent respectivement la vue de côté et la vue de face d'une section d'ln évaporateur classique à tubes et ailettes serties sur les tubes : l'entrée du fluide frigorigène liquide s'opère par les canalisations d'alimentation 2, tandis que le fluide évaporé quitte l'évaporateur par les canaliations 4 ; les tubes de circulation 6 du fluide frigorigène sont reliés entre eux, à leurs extrémités, par les crosses 8, les ailettes 9 étant serties autour des tubes 6. l'a figure 4 et la figure 5 représentent respectivement la vue de côté et la vue de face d'un évaporateur à tubes et ailettes réalisé selon l'invention : on reconnaît les éléments classiques 2 a' 9 des figures 1 et 2 et des tubes 44 et 46, destinés à recevoir l'eau à 85-90 en provenance du moteur et relié entre eux par la crosse 48. Pour la commodité de la réal-sation, les conduits 44 et 46 peuvent avantageusement être constitués par des tubes d'eau ayant la même section que les tubes de fluide frigorigène. REVENDICATIONS 1. Pompe à chaleur à compression sur l'air dont le circuit fermé dans lequel circule un fluide frigorigène comprend en série, un compresseur (10) entraîné par un moteur thermique (16), un condenseur (12) et un évaporateur (14), caractérisée en ce qu'elle comporte un dispositif de dégivrage de l'évaporateur comprenant des conduits (44, 46, 48) incorporés audit évaporateur (14), ces derniers étant susceptibles d'être alimentés, pendant la phase de dégivrage, par un fluide caloporteur provenant dudit moteur thermique (16). 2. Pompe à chaleur selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit fluide caloporteur est constitué par de l'eau provenant du circuit de refroidissement dudit moteur thermique. 3. Pompe à chaleur selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit fluide caloporteur provient d'un dispositif de recupé- ration de la chaleur des gaz d'échappement dudit moteur thermique.