Brevet FR2525749A1 — publié le 19831028

i "Installation à pompes à chaleur pour la climatisation de voitures pour passagers de chemins de fer et autres véhicules " Pour la climatisation des voitures pour passagers, on utilise actuellement surtout deux systèmes séparés, en vue de la génération du froid et pour le chauffage Le froid est engendré par une machine classique à cycle frigorifi- que et à compresseur, en utilisant un liquide frigorigène (hydrocarbure halogéné) La chaleur est engendrée par effet Joule dans des groupes de résistances qui sont en partie centralisées et en partie disposées sous les sièges duels) L'air, froid ou chaud, est distribué par l'intermé- diaire d'une ou plusieurs canalisations, passant le long des compartiments et dans ceux-ci, ainsi que le long des corridors et dans ceux-ci. Selon l'invention, il est prévu pour la climatisation des voitures électromotrices de chemins de fer et autres véhicules pour passagers, d'adapter la i>ompe à chaleur, pour qu'elle fonctionne soit pour chauffer soit pour réfri- gérer l'air ambiant, et d'utiliser dans les deux cas pour l'échange thermique le déplacement de l'air externe du au mouvement. 2 U Avantageusement, il est prévu également un échangeur de chaleur qui est sous l'influence de l'air déchargé de l'ambiance à climatiser, pour corriger de façon avantageu- se par rapport aux conditions ambiantes l'écart saut tnermique qui est surmonté par la pompe à chaleur. Une installation de climatisation à pompe à chaleur doit être associée dans certaines conditions au moins de son utilisation à des installations de chauffage et/ou de refroidissement traditionnelles. Pour la mise en oeuvre de l'invention, on peut adopter des pompes à chaleur du type cinématique à échangeurs à circulation forcée, ou du type à absorption. Entre autres, l'utilisation de la pompe à chaleur présente les avantages qui suivent: 1) Elle résout le problème du chauffage et du refroi- dissement au moyen d'une unique installation; 2) En phase de chauffage, elle peut économiser de l'énergie variant entre 50 et 7 U%, par comparaison avec un cnauffage par résistances électriques; 3) Elle utilise l'énergie thermique, qui serait autre- ment dissipée, de l'air de renouvellement, qui est relati- venent important dans des voitures pour passagers ( 5000 M 3/h); 4) Elle permet de réduire la puissance du groupe de ventilateurs du condenseur, en utilisant le mouvement du véhicule; 5) Son poids et son encombrement sont inférieurs à ceux des installations classiques; 6) Elle permet de maintenir le système des chauffages individuels qui est de toute manière nécessaire pour la démarrage à froid en tant que système intégré dans le cas de températures externes inférieures à -15 OC; 7) Elle simplifie les problèmes d'accessibilité et de manutention, grâce à une unique installation très compacte sur la voiture; 8) Elle réduit les co ts d'installation de la fixation sur la voiture. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description des modes de réalisation pratiques et non limitatifs qui suivent, avec rêférence aux dessins ci- annexes sur lesquels: les Fig 1 et 2 sont des schémas montrant le fonction- nement d'une pompe à chaleur air/air fonctionnant respecti- vement en cycle de refroidissement et en cycle de chauf- fage, la Fig 3 est un schéma fonctionnel o l'on utilise le flux de chaleur représenté par l'air de renouvellement, la Fig 4 est un schéma o l'on utilise également de l'énergie solaire, et la Fig 5 est un schéma par-blocs d'une pompe à chaleur à absorption. Très sommairement, les Fig 1 et 2 représentent un circuit dans lequel la référence 1 désigne un-échangeur interne dans la voiture de chemin dé fer, la référence 3 l'échangeur externe, fonctionnant en vue de l'échange qui est également favorisé par le mouvement relatif par rapport à la source extérieure pendant le mouvement de la voiture de chemin de fer En 5 est indiqué un compresseur, en 7 le réservoir contenant le liquide du circuit, en 9 une vanne à quatre voies en vue de la commutation entre deux régimes de fonctionnement, et de façon générale en 10 et 12 deux régulateurs de pression montés sur le circuit. Dans la position de fonctionnement en cycle de refroi- dissement (Fig 1), la vanne à quatre voies 9 est réglée de manière à établir la circulation dans le sens des flèches représentées sur la Fig 1, le compresseur recevant du fluide de l'échangeur interne 1 fonctionnant en tant qu'éva- porateur pour comprimer ce f 1 u i d e dans le réservoir 7; le fluide est refroidi dans l'échangeur 3 fonctionnant en tant que condenseur Il en résulte que des calories sont prélevées de l'intérieur et cédées à l'extérieur, comme indiqué par les flèches fl et f 3. Dans la position de fonctionnement en cycle de chauf- fage (Fig 2), l'échangeur 1 fonctionne en tant que conden- seur et l'échangeur 3 en tant qu'évaporateur, la cnaleur étant alors prélevée de l'extérieur selon la flèche f 3 et envoyée à l'intérieur selon la flèche f 4, la vanne 9 étant commutée de manière que le fluide de l'échangeur 3 atteigne le compresseur. Une telle machine en phase de chauffage offre des avantages dans la mesure o l'on peut envisager une produc- tion thermique de 21 500 Kcal/h, avec un compresseur absor- bant 10 CV, correspondant à environ 6 325 Kcal/h, avec un rendement de trois à quatre fois celui qu'on obtient pour un chauffage par résistances. Si l'on rapproche les données d'une installation de cnauffage et de refroidissement traditionnelle de celles que l'on peut attendre d'une installation à pompe à chaleur, 4. on peut indiquer les données suivantes: dans une installa- tion traditionnelle de chauffage, la puissance installée est d'environ 36 KW, alors que pour le refroidissement pour une puissance d'environ 30 000 Kcal/h, il faut un compres- seur d'environ 28,5 KW et un compresseur d'environ 18,8 KW; dans une installation-du type proposé, et même en négligeant le rendement plus élevé et l'économie que l'on peut obte- nir du fait du mouvement de la voiture de chemin de fer, on peut prévoir une puissance totale installée de 20 KW (contre les 66,3 KW de l'installation traditionnelle) et pour le chauffage de 15-18 KW (contre les 36 KW du système traditionnel) pour obtenir une puissance utile de 30 000 Kcal/h, lorsque les températures externes sont supérieures à -150 C Il est possible d'envisager une absorption ulté- rieure et limitée pour le dégivrage de l'échangeur externe, avec une absorption prévisible-qui ne dépasse pas 1 KW. L'installation peut comprendre avantageusement l'utili- sation de la masse d'air sortant de la voiture de chemin de fer sous forme d'air vicié, pour bénéficier des calories de l'air de renouvellement ou respectivement des frigories de l'air de renouvellement pour corriger la température de la source de chaleur externe; dans ce but, il convient de concentrer l'air extrait en correspondance de l'échangeur externe-de l'installation, tel que celui indiqué en 3 sur les Fig 1 et 2, ceci présentant un avantage par la suite pour le bilan énergétique et le rendement. A la Fig 3 est représenté un schéma pouvant être envisagé pour l'installation dans une voiture de chemin de fer, les échangeurs externes et internes étant indiqués en 21 et 23, le compresseur en 25 et la bouche d'extraction d'air en 27, une canalisation de distribution en 29, alors que l'extraction peut être réalisée au moyen d'une canali- sation analogue ou par l'intermédiaire des espaces existants tels que les corridors ou similaires. Il est clair qu'une installation telle que celle qui est indiquée ci-dessus peut être utilisée en tant qu'ins- tallation auxiliaire, du moins en ce qui concerne une installation traditionnelle de chauffage et éventuellement aussi de refroidissement, toujours avec un bilan énergéti- que avantageux. A la Fig 4 est représentée schématiquement la combinai- son d'une pompe à chaleur et'd'un collecteur solaire, comme indiqué en 31, inséré d 7 ans un circuit comprenant une pompe 33 et un échangeur pour le transfert de la chaleur à un réservoir d'accumulation 35; on peut prévoir un autre circuit comprenant une pompe 37 et un échangeur 39 à la suite de l'accumulateur 35, en vue de céder la chaleur à un courant forcé associé à l'échangeur externe 41 (corres- pondant à l'échangeur 3 des schémas des Fig 1 et 2) asso- cié à la pompe à chaleur Dans ce cas, on arrive à une intégration entre le système à pompe à chaleur et le systè- me à collecteur solaire fonctionnant en parallèle à titre de simple auxiliaire Un schéma de ce type peut pendant la période hivernale corriger les températures du flux d'air venant de l'évaporateur, qui provient soit de l'ex- térieur soit de la sortie d'air d'extraction (d'o l'on récupère la chaleur); l'échangeur qui est sous l'influence de l'installation solaire, peut céder de la chaleur au flux d'air externe dont la température est plus basse. L'installation des panneaux solaires peut être mise en place sur le toit, c'est-à-dire sur l'impériale ae la voiture pour passagers, sur une surface de captage de l'ordre de 15 m 2. Une installation du genre de celle i>uiuf U, ci-dessus peut être avantageusement simplifiée du point de vue des problèmes de manutention utilisant des pompes à chaleur à absorption du type eau-ammoniac, ou autres Dans ce cas, on élimine le compresseur de la pompe à-chaleur traditionnelle, que l'on remplace par une simple pompe de circulation du liquide de la solution provenant i ci lampe à absorption, en obtenant une réduction très importante de la puissance installée par rapport à celle du compresseur Pour assurer le fonctionnement du système de façon étanche, on doit prévoir l'utilisation d'une petite pompe automatique apte à établir le rétablissement du degré de vide nécessaire, avec des interventions éventuelles au bout de longs intervalles de temps Une pompe à absorption peut être installée de façon analogue à la pompe à chaleur à compresseur, et le schéma est alors celui qui est représenté à la Fig 5, sur lequel, dans la zone basse pression, on prévoit l'évapo- rateur 51 et l'absorbeur 55, qui est associé à une pompe à liquide 57 apte à établir la circulation dans un échangeur de chaleur 59 et dans un générateur de vapeur 61 dans lequel arrive la solution diluée refoulée par la pompe 57 dans laquelle la température est aux environs de 400 C, alors que dans le retour vers l'échangeur, on a une solu- tion concentrée à environ 900 C En 63 est représenté le condenseur dans lequel arrive la vapeur et duquel le liquide parvient dans l'évaporateur 51 Les ensembles 63 et cèdent de la chaleur et les ensembles 51 et 61 absorbent de la chaleur. Le dessin ne représente qu'un exemple de réalisation de l'invention, auquel on peut apporter des modifications de forme et de disposition. REVENDICATIONS 1 Installation de climatisation pour voitures pour passagers de chemins de fer, véhicules électromoteurs et autres, caractérisée par l'utilisation d'une pompe à chaleur, apte à fonctionner soit pour chauffer soit pour refroidir l'ambiance, en utilisant dans les deux cas pour l'échange thermique le déplacement de l'air externe dû au mouvement de la voiture ou véhicule. 2 Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'elle comprend également un échangeur de chaleur, qui est sous l'influence de l'air déchargé de l'ambiance à climatiser, pour corriger favorablement par rapport aux conditions de l'ambiance l'écart de température qui doit être surmonté par la pompe à chaleur. 3 Installation selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce qu'elle est associée - dans certaines conditions au moins de son fonctionnement - à des installations de chauffage et/ou de refroidissement traditionnelles. 4 Installation selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce que la pompe à chaleur est du type à absorption. Installation selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend une vanne à quatre voies pour établir le régime pour la réfri- gération et le régime pour le chauffage, en commutant le fonctionnement des deux échangeurs de chaleur externe et interne pour les faire passer de la fonction d'évaporateur à celle de condenseur, et vice versa.