Brevet FR2561363A1 — publié le 19850920

La présente invention concerne un procéde amélioré de dégivrage, par inversion de cycle, des pompes à chaleur et/ou des machines frigorifiques à compression utilisant l'air comme source froide. Un système de dégivrage intermittent est souvent necessaire pour les pompes à chaleur et machines frigorifiques prélevant des calories sur de l'air humide à basse -temperature. En effet, le refroidissement de l'air dans l'évaporateur entraÇne la condensation de l'eau qu'il contient, lorsque la température est inférieure au point de rosée, et la formation de givre, si la température des condensats devient inférieure à Od C Le givre ainsi formé, crée une résistance au transfert thermique qui altère rapidement les performances de l'installation ; en effet, la dégradation du transfert thermique et la réduction du débit d'air du à une perte de charge accrue conduisent à une baisse de la pression d'évaporation, ce qui provoque une diminution de la capacité thermique et du coefficient de performance (ou de l'efficacité frigorifique) de l'installation. Différents proceae sont utilisables pour éliminer le givre formé sur l'évaporateur circulation d'air chaud pulvérisation d'eau emploi de résistances électriques Qudégivrage par gaz chauds. Cette derniers méthode est généralement employée, couplée à l'inversion du cycle de fonctionnement. Dans ces conditions, une vanne quatre-voies commande l'inversion du cycle, pendant laquelle le fluide de travail se condense dans la batterie extérieure et s'évapore généralement en prelevant de la chaleur au condenseur. Les brevets US 4167622 et US 4197716 décrivent la mise en oeuvre d'échangeurs auxiliaires au sein du circuit interne afin de faciliter le dégivrage, mais prévoient la réfrigération du milieu à chauffer pendant l'inversion de cycle.Le brevet US 3959986 décrit une pompe à chaleur dont le condenseur alimente un ballon d'eau chaude, qui est refroidie dans un évaporateur auxiliaire pendant le dégivrage. Selon le brevet US 4246956, la source froide pour le dégivrage est un réservoir d'eau chaude, extérieur, intégré dans un système de récupération d'énergie solaire. Le principal inconvénient de ces procédés réside dans le fait que ,lors du dégivrage, on provoque un refroidissement du milieu à chauffer ou d'une source de chaleur externe à l'installation. L'objet de la présente invention est de remédier à cet inconvénient lors du dégivrage par inversion de cycle, en particulier dans les pompes à chaleur à compression. Le principe consiste à utiliser comme source froide, pendant le dégivrage un stockage thermique interne à l'installation et alimenté en cycle normal de fonctionnement.En cycle direct de fonctionnement, le réfrigérant est sous-refroidi dans un ballon de stockage thermique contenant un agent caloporteur ; pendant l'inversion de cycle, le réfrigérant est condensé dans la batterie extérieure givrée, puis est vaporisé dans le ballon de stockage, celui-ci est donc périodiquement réchauffé en fonctionnement direct et refroidi en cycle inverse de dégivrage. Le schéma simplifié d'une pompe a chaleur ou d'une machine frigorifigMel P nctionnant selon l'invention est représente par les figures lA pareîl mettant en oeuvre le procédé peut être réalisé en utilisant différents équipements pour chacun des composants. En cycle direct (mode de chauffage dans le cas d'une pompe å chaleur) le fluide de travail ou réfrigérant est vaporisé dans l'échangeur El (évaporateur). Les vapeurs sortant de l'échangeur El par le conduit 9 passent dans la vanne quatre voies V2, puis arrivent dans un accumulateur ou une bouteille anti-coup de Liquide AC3 par le tuyau 10, le fluide de travail est aspiré par le compresseur K4 par le tuyau 11 et est refoulé sous pression par Te tuyau 12, il traverse la vanne quatre voies V2 puis arrive par le tuyau 13 dans l'échangeur C5 (condenseur) d'où il ressort, au moins en partie à l'état liquide, par le tuyau 14 (après avoir chauffé un fluide extérieur qui arrive par le conduit 28 et ressort par le conduit 29) et pénètre dans un bac de réserve B6.Le fluide de travail ressort du bac B6 par le tuyau 15 et passe dans le tube d'échange 8, situé à l'intérieur du ballon de stockage thermique BT7 isolé de l'extérieur. Le fluide- de travail est sous-refroidi par échange thermique avec un agent caloporteur (agent de stockage) contenu dans le ballon BT7. A la sortie du ballon BT7 le fluide de travail sous-refroidi passe par les tuyaux 16 et 17, puis par le clapet de retenue ou clapet anti-retour 18 et le tuyau 19, dans un organe de détente 20 et retourne par les tuyaux 21 et 27 dans l'échangeur El. Le cycle direct est représenté sur la Figure 1A. En cycle inverse (mode de dégivrage) représenté sur la Figure 1B le cycle fonctionne globalement en sens inverse selon la procédure suivante : le fluide de travail est condensé dans l'échangeur El (condenseur) ; le liquide sortant de l'échangeur El par le tuyau 27 passe par le tuyau 22 à travers le clapet de retenue 23 puis est amené par le tuyau 24 dans l'organe de détente 25, il ressort par le tuyau 26 et pénètre par le tuyau 16 dans le tube d'échange 8 à l'intérieur du ballon de stockage thermique BT7 ou il se vaporise au moins en partie par refroidissement de l'agent caloporteur contenu dans le ballon BT7.Le fluide de travail ressort du ballon BT7 par le conduit 15 et pénètre dans le bac de réserve B6 puis arrive ds l'échangeur C5 (évaporateur) par le tuyau 14, où il termine éventuellement sa vaporisation ; il ressort de l'échangeur Cl par le tuyau 13, traverse la vanne quatre voies V2 et est aspiré par le tuyau 10, le bac d'accumulation AC3 et le tuyau Il par le compresseur K4, il ressort par le tuyau 12, traverse la vanne quatre voies V2 et pénètre dans l'échangeur El par le tuyau 9.Les schémas des figures TA et lB. comportent deux organes de detente 20 et 25 utilisés respectivement en cycle direct (chauffage) et en cycle inverse (dégivrage) précédés de deux clapets de retenue ou clapets anti-retour ou vannes unidirectionnelles 18 et 23 qui n'autorisent qu'un sens de passage du fluide. L'ordre de ces organes n'est pas déterminant et ils peuvent, par ailleurs, être remplacés par un système unique assurant un passage unidirectionnel et la détente simultanée du fluide. L'expression "organe de détente unidirectionnel" utilisé par la suite désignera l'une ou l'autre des solutions envisagées ci-dessus. Le dédoublement de l'organe de détente est généralement utilisé dans les pompes à chaleur mais n'est nullement nécessaire à l'invention.Par ailleurs, les accessoires comme l'accumulateur AC3 et la bouteille de réserve B6 sont facultatifs et ne sont donc pas spécifiques de l'invention. La mise en oeuvre de l'invention est possible pour toute pompe à chaleur utilisant un dégivrage de l'évaporateur par inversion de cycle. Elle consiste à intégrer, entre le condenseur et l'organe de détente de l'installation utilisé en mode chauffage, un ballon de stockage contenant un agent caloporteur et un tube d'échange dans lequel circule le réfrigérant. En mode chauffage, le réfrigérant cède la chaleur utile dans le condenseur, puis est refroidi dans le ballon de stockage, par transfert thermique avec l'agent caloporteur, initialement plus froid. Au cours du cycle de chauffage, l'agent caloporteur contenu dans le ballon tampon est ainsi progressivement réchauffé jusqu'à une température inférieure à la température de condensation, mais nettement supérieure à celle d'évaporation. Lors de l'inversion du cycle, le dégivrage est assuré par la condensation du fluide de travail dans l'évaporateur selon la technique conventionnelle, mais la vaporisation du fluide est réalisée dans le ballon de stockage par refroidissement de l'agent caloporteur. Si la capacité thermique du stockage et suffisante, le réfrigérant s'évapore totalement dans le ballon de stockage, ce qui évite le refroidissement du milieu à chauffer par la pompe à chaleur. En pratique, la dure du dégivrage est relativement Faible par rapport au fonctionnement de la pompe à chaleur, ce qui conduit à un volume limité de stockage comme le montrera l'exemple. A la fin du cycle de dégivrage, le stockage thermique est à sa température minimale puis il est progressivement réchauffé pendant le cycle suivant de chauffage. Le stockage thermique est assuré par un matériau liquide et/ou solide, sous forme de chaleur sensible et/ou de chaleur latente de changement d'état physique. Le stockage thermique sera de préférence assuré par variation de chaleur sensible d'un agent caloporteur. Cet agent de stockage sera généralement un liquide caractérisé par une chaleur spécifique élevée, par exemple supérieure à environ 2092 J/kg.K (joule par kilogramme Kelvin) et de préférence comprise entre environ 2500 et environ 5000 J/kg.K. Cet agent caloporteur pourra être de l'eau ; si la pompe à chaleur est située à l'extérieur, ou dans un local pouvant etre à une température inférieure au point de congelation du liqude, l'addition d'un antigel, par exemple un glycol est souhaitable. de preference/ La disposition du tube d'échange interne sera / telle que la circulation du réfrigérant est descendante en cycle direct (chauffage) et ascendante en cycle inverse (dégivrage) ; dans ces conditions, le sous-refroidissement du réfrigérant pendant le fonctionnement en chauffage provoquera la stratification de l'agent de stockage contenu dans le ballon de stockage et évitera des mouvements de convection naturelle. Pendant le dégivrage, le fluide thermodynamique traversant le tube d'échange est vaporisé partiellement ou totalement et dans ce dernier cas. éventuellement surchauffé ; une mise en oeuvre préférée de l'invention consiste à employer dans la pompe à chaleur un mélange non-azéotropriuue de réfrigérants qui se vaporise et se condense selon un gradient de températures ; en effet pendant l'inversion du cycle, le mélange non-azéotropique aura une er'pérature croissante de bas en haut du ballon de stockage, comme agent caloporteur préseden~nent cité.Une telle utilisation favorise la stratificatIon dans le ballon et permet une meilleure reversibilité du transfert thermique par rapport à l'usage d'un fluide pur ou d'un mélange azéotropique vaporisé à température constante ; ainsi la température en fin d'ébullition d'un mélange non-azéotropique sera supérieure à celle obtenue avec un fluide pur qui est limitée par la température minimale du stockage. La mise en oeuvre de mélanges non-azéotroplques dans des pompes à chaleur à compression est connue et à déjà fait l'objet de plusieurs brevets US 4406135, US 4350020, US 4344292. Elle ne constitue ici qu'une application privilégiée de la présente invention. En pratique, le tube d'échange (8) dans lequel circule le réfrigérant aura de préfntreence7 une surface externe développée par rapport à une surface nisse en effet, la résistance au transfert thermique sera localisée du côté de l'agent caloporteur qui est en principe statique dans le ballon.L'échangeur sera équipé, par exemple, d'ailettes, de corrugations ou bien aura un traitement de surface externe, afin d'accroître sensiblement l'aire d'échange entre l'agent caloporteur et le tube ; selon l'invention, le tube d'échange du réfrigérant n'est pas nécessairement unique, mais pourra être décomposé en plusieurs tubes disposés en parallèle, afin de limiter la perte de charge du réfrigérant ou d'accroître la surface d'échange en contact avec l'agent caloporteur. La pression d'épreuve du ballon de stockage est imposée par le(s) tube(s) d'échange, soumis à la pression du réfrigérant ; celle-ci sera de préférence inférieure à 30 bars. Une variante du schéma de fonctionnement de la Figure 1 (A et B) est représentée par la Figure 2 (A et B). Les différents symboles représentent les mêmes éléments que sur la Figure 1A.Selon le schéma de lA ou lB décrit plus haut,l'echangeur (C5), le ballon de réserve (B6) et le ballon de stockage (BT7) sont disposés en série pour les deux modes de fonctionnement ; pendant l'inversion du cycle, le réfrigérant est partiellement ou totalement vaporisé dans la ballon de stockage, puis passe dans l'échangeur (C5) avant son retour au compresseur tK4) Un tel dispositif impose au réfrigérant, en cycle inverse, une perte de charge supplémentaire dans l'échangeur C5, susceptible de pénaliser l'efficacité du cycle en dégivrage par abaissement de la pression d'aspiration ; la mise en oeuvre du procédé est d'autant plus avantageuse que la vaporisation du réfrigérant dans le stockage est importante ; or, la perte de charge dans l'échangeur C5 est d'autant plus forte que le titre de vapeur à l'entrée est grand.Un dispositif préféré consistera à permettre au fluide de travail de ne pas circuler dans l'échangeur C5 pendant le cycle de dégivrage (déviation de la circulation du fluide avant l'échangeur C5 ou "by-pass" de l'échangeur C5), comme le montre, par exemple, la Figure 2B. Le schéma est identique à celui de la Figure 1, mais comporte une électrovanne (34), un clapet de retenue (30) ainsi qu'une liaison frigorifique supplémentaire (33,35) utilisée par le réfrigérant seulement en cycle inverse. Le clapet de retenue (30) permet le passage du fluide uniquement dans le sens ballon de réserve (B6) par les conduits 15, 31 et 32 ballon de stockage (BT7) en cycle de chauffage (Figure 2A) et empêche donc le retour du réfrigérant par le condenseur en cycle de dégivrage (Figure 2B) ; dans ce dernier cas, le réfrigérant passe par les conduits 32 et 33 puis par l'électrovanne (34), ouverte seulement pendant le dégivrage L'électrovanne 34 est reliée par le conduit 35 sur la Figure 28 à l'aspiration du compresseur par l'-intermédiaire de l'accumulateur AC3 mais peut aussi bien déboucher avant la vanne quatre voies V2 ou directement à l'aspiration du compresseur.La configuration ainsi décrite suppose la vaporisati-on- totale du réfrigérant dans le ballon de stockage (BT7) en cycle inverse, -mais ne constitue qu'un exemple d'agencement. Plus généralement, tout dispositif permettant un "by-pass" de l'échangeur (C5) de la pompe à chaleur pendant l'inversion de cycle pourra être employé. Dans le cas général, au sein du ballon de stockage, tQ refrigérant est partiellement ou totalement vaporisé au cours deWS dégivrage, alors qu'il est essentiellement sous-refroidi en fonctionnement de chauffage. Notons que selon la présence ow non QLun ballon de réserve à la sortie de l'échangeur (C5) en cycle direct, réfrigérant issu de l'échangeur (C5) est totalement ou incomplètement condensé, ou bien-déjà sous-refroidi. Or, la capacité thermique du stockage est d'autant plus importante, que la température d'arrivée du réfrigérant est élevée en chauffage ; par conséquent, un faible sous - refroidissement du réfrigérant issu de l'échangeur C5 est souhaitable, il sera inférieur à îD0C entre de préférence inférieur à 50 C. L'exemple ci-dessous décrit une application selon l'invention dans le cas d'une pompe à chaleur destinée au chauffage d'une habitation. EXEMPLE Soit une pompe à chaleur du type Air Extérieur/Eau équipée d'un mode de dégivrage classique fonctionnant par inversion de cycle, commandée par une vanne quatre voies. Lorsque la pression d'évaporation est inférieure à une valeur de consigne imposée, un pressostat commande une horloge qui déclenche un cycle de dégivrage, après une certaine durée, par exemple, 60 minutes environ. Le cycle de dégivrage est terminé, lorsque la température mesurée dans un point froid de la batterie devient supérieure à une certaine consigne, par exemple, 250 C environ.La batterie extérieure est traversée par un débit d'air total de 6000 m3/haspiré par deux ventilateurs hélicoides. Les conditions de fonctionnement correspondent à une température d'air de 0 C, pour une humidité relative de 95 X ; l'eau passant dans l'échangeur C5 (condenseur) est chauffée de 420 C à 500 C. En régime nominal, la pompe à chaleur délivre une puissance thermique Q et absorbe une puissance totale W incluant les consommations du compresseur et des ventilateurs, le coefficient de performance COP en mode chauffage est défini alors par C0P = W Les valeurs mesurées expérimentalement sont Q = 8115 watts W = 3525 watts COP = 2,30 Durant le dégivrage, sont mesurées la -puissance frigorifique Q' prélevée sur le circuit de chauffage et la puissance W' absorbée par le compresseur, le ventilateur étant arrêté ; la durée du dégivrage pour le régime de fonctionnement considéré est : t' = 152 secondes. Les performances intégrées de la pompe à chaleur sur un cycle complet de chauffage et dégivrage sont definies par Q = t + t' t est le temps de fonctionnement en chauffage t' est la durée du dégivrage. W = tW + t'W' t + t' Q est la puissance thermique intégrée délivrée par l'installation W est la puissance intégrée absorbée par ltinstallation COP = Q = tQ - t'Q' W tW + t'W' COP est le coefficient de performance intégré de l'installation Les puissances moyennes relevées pendant le dégivrage sont Q' = 13 190 watts W' = 2605 watts d'où les performances intégrées de liinstallation Q = 7252 watts W = 3488 watts COP = 2,08 Par conse.luent, le dégivrage pratiqué selon la technique existante entraXne une dégradation ifnporiante des performances, à savoir une réduction de T0,6 % de la puissance de chauffage et une baisse de 9,6 % du coefficient de performance. La même pompe à chialeur, fonctionnant dans les mêmes conditions est maintenant équipée diun ballon de stockage contenant 25 litres d'eau et situé dans le circuit entre l'échangeur C5 et l'organe de détente (20). Pendant le cycle de chauffage, le réfrigérant qui est, par exemple, le monochlorodifluorométhane (R22) traverse le ballon d'eau par l'intermédiaire d'un serpentin aileté ; il rentre dans le serpentin sous forme de liquide saturé à 520 C, circule dans des spires de haut en bas, et est sous-refroidi en moyenne jusqu'à 400 C ; la quantité de chaleur ainsi stockée pendant le cycle de chauffage représente 2300 kilojoules et accroît progressivement la température d'eau de 22 C, à partir d'une température initiale comprise par exemple entre 50 C et 150 C.Pendant l'inversion de cycle intervenant après une heure de marche en mode de chauffage le réfrigérant se vaporise totalement par échange avec l'eau de stockage, qui est progressivement refroidie de 200 C. Les performances de la pompe à chaleur en chauffage sont supposées inchangées, de même que la durée et la puissance consommée pendant le dégivrage ; dans ces conditions, les performances intégrées de l'installation pendant un cycle complet deviennent Q = tQ , = 7786 watts t+t W = tW + t'W' = 3488 watts t + t' COR = 2,23 Donc, pour cet exemple de fonctionnement, le procédé selon l'invention accroît par rapport aux performances antérieures, la puissance thermique et le coefficient de performance intégrés de 7,4 X. Dans l'exemple décrit précédemment, le ballon de stockage a pour fonction unique la fourniture de chaleur pour l'évaporation du fluide de travail durant l'inversion de cycle. Selon une variante de l'invention le ballon de stockage peut avoir une autre fonction, par exemple, le préchauffage de l'eau chaude sanitaire en dehors des périodes de dégivrage.Pratiquement, le ballon serait intégré dans un circuit ouvert, dans lequel il serait alimenté, par exemple, par l'eau du réseau et où il délivrerait l'eau préchauffée, destinee à recevoir un complément de chauffage avant utilisation ; selon cette conception, pour les températures extérieures modérées pour lesquelles le givre ne se forme pas sur la batterie de la pompe à chaleur, le dispositif assure uniquement le préchauffage de l'eau chaude sanitaire ; pour des températures plus froides le ballon couvre, en priorité, les besoins de chaleur nécessaires au dégivrage et continue de préchauffer l'eau chaude sanitaire en dehors des cycles de dégivrage. Pendant les périodes de dégivrage la circulation de l'eau sanitaire est arrêtée ; ceci peut être obtenu par tous moyens classiques, par exemple par arrêt de la pompe de circulation de l'eau chaude sanitaire commandé par le pressostat qui déclenche le cycle de dégivrage. REVENDICATIONS 1 - Procédé de mise en oeuvre d'une pompe à chaleur et/ou d'une machine frigorifique à compression utilisant l'air comme source froide et comportant un dégivrage périodique par inversion de cycle, caractérisé en ce que durant la période de fonctionnement en cycle direct, le fluide de travail sortant de la zone de compression traverse successivement une zone d'échange de chaleur (C5) dans laquelle il se condense, au moins en partie, une zone de stockage thermique (BT7) contenant un agent de stockage initialement relativement froid auquel il cède de la chaleur en se refroidissant, un organe de détente unidirectionnel, une zone d'échange de chaleur (El) dans laquelle il se vaporise, puis retourne à la zone de compression, et en ce que ledit fluide de travail, décrivant lors du dégivrage un cycle inverse, passe à la sortie de la zone de compression, dans une zone d'échange de chaleur (El) dans laquelle il se condense, dans un organe de détente unidirectionnel, traverse la zone de stockage thermique dans laquelle il se vaporise au moins en partie en prenant de la chaleur à l'agent de stockage contenu dans cette zone et en le refroidissant, puis éventuellement la zone d'échange de chaleur (C5) ou il termine éventuellement sa vaporisation, puis retourne à la zone de compression. 2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la circulation du fluide de travail dans le ballon de stockage thermique (BT7) est globalement descendante pendant la période de fonctionnement en cycle direct et est globalement ascendante pendant la période de fonctionnement en cycle inverse (dégivrage). 3 - Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce qu'une vanne unidirectionnelle est insérée entre l'échangeur de chaleur (C5) et le ballon de stockage thermique (BT7) ne permettant le passage du fluide de travail que dans le sens échangeur (C5) vers le ballon de stockage (BT7), ledit fluide de travail allant lors du cycle inverse (dégivrage) directement de la sortie du ballon de stockage vers la zone de compression par une conduite de déviation ne laissant passer ledit fluide que lors du cycle inverse. 4 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le fluide de travail est un mélange d'au moins deux constituants ne formant pas d'azéotrope entre eux. 5 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que l'agent de stockage est un fluide ayant une chaleur spécifique comprise entre environ 2500 et environ 5000 joules par kilogramme Kelvin. 6 - Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que le fluide de stockage est de l'eau ou un mélange eau-antioel, 7 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que , lors du cycle direct , le réfrigérant sortant de la zone de compression passe dans une zone d'échange de chaleur (C5) dans laquelle il se condense et subit un sous-refroidissement inférieur à 100 C. 8 - Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le ballon de stockage thermique (BT7) est intégré dans un circuit d'eau chaude sanitaire, ladite eau chaude étant préchauffée dans le ballon en cycle direct, et en ce que la circulation d'eau chaude sanitaire est interrompue pendant le cycle inverse (dégivrage) , ledit ballon étant alors utilisé conme source de chaleur. 9 - Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour comprimer et faire circuler alternativement dans un sens puis dans le sens opposé, un fluide de travail à tr-avers un circuit comprenant en série des premiers moyens d'échange de chaleur (El), des moyens de compression (K4), des seconds moyens d'échange d chaleur (C5), des moyens de stockage thermique (BT7) et des moyens de détente. 10 - Appareil selon la revendication 9 caractérisé en ce qutil comporte en série un échangeur de chaleur (El), une vanne quatre voies (V2) ,un compresseur (K4), un échangeur de chaleur (C5), un ballon de stockage thermique (BT7) et des moyens de détente unidirectionnels permettant le passage du fluide de travail alternativement dans un sens et dans l'autre.