Brevet FR2564955A1 — publié le 19851129

La présente invention ccncerne un procédé amélioré de production de chaleur et/ou de froid au moyen d'une installation utilisant des moyens de compression, par exemple un groupe motocompresseur, et fonctionnant avec un fluide mixte de travail. Un tel fluide mixte est un mélange de deux ou plusieurs constituants, dont au moins deux d'entre eux ne forment pas d'azéotrope; pour une pression donnée, un tel fluide se vaporise ou se condense selon un intervalle de température et non pas à une température fixe. L'utilisation d'un mélange non azéotropique dans les pompes à chaleur et les machines frigorifiques est connue en vue d'améliorer la capacité thermique ou le coefficient de performance de l'installation. L'application des mélanges non-azéotropiques a fait l'objet, en particulier, des brevets: US 4089186, US 4344292 et US 4406135. Il a été découvert que l'utilisation de tels mélanges s'avère particulièrement avantageuse, si le mélange non-azéotropique utilisé n'est que partiellement vaporisé dans l'évaporateur, la fin de la vaporisation étant poursuivie ou achevée par échange de chaleur avec le groupe motocompresseur. En effet, le motocompresseur constitue une source de chaleur généralement à température plus élevée que le fluide extérieur refroidi à l'évaporateur; ainsi un fluide mixte de travail qui se vaporise selon un profil de température pourra atteindre, par récupération thermique sur le motocompresseur, une température en fin d'ébullition plus élevée que celle obtenue lorsqu'on procède à une vaporisation totale dans l'évaporateur. Le procédé permet ainsi une réduction du taux de compression de l'installation. Il présente aussi l'avantage de refroidir les gaz au cours de la compression, ce qui a pour effets favorables une réduction du travail de compression et un abaissement de la température de refoulement. Le choix du type de compresseur dans une machine frigorifique ou une pompe à chaleur dépend essentiellement de sa puissance. Généralement les compresseurs à pistons sont utilisés pour des débits volumiques aspirés inférieurs à 1000 m3/h; les compresseurs à vis sont employés pour des débits volumiques allant jusqu'à 5000 m3/h; pour des débits plus importants, les turbocompresseurs sont substitués aux compresseurs volumétriques. Pour les plages de puissance les plus faibles, les groupes hermétiques sont largement utilisés; ils se présentent comne une enveloppe ou une cloche en acier constituée de deux parties soudées, d'o sortent les tuyauteries d'aspiration et de refoulement. Le compresseur est généralement alternatif à pistons, mais peut également être rotatif à palettes. Les groupes hermétiques présentent de nombreux avantages: protection visà-vis de l'extérieur, compacité, faible niveau acoustique, bas prix. Le principal problème lié à leur utilisation est la température élevée des gaz; en effet les gaz aspirés refroidissent, à la fois, l'huile de lubrification et les bobinages du moteur. La conception même du compresseur entraîne donc une surchauffe importante du gaz avant l'admission aux clapets et une température de refoulement élevée. Or, la puissance de compression est d'autant plus élevée que la température d'aspiration est forte; d'autre part, un niveau thermique trop important est un facteur d'usure du moteur et peut limiter la température de condensationr, à cause des risques. de JoCrp-osition dit réfrigérant et du lubrifiant. En fait, la coaore sic.n.iun gaz dans un motocompresseur hermétitu e peut etre coins re c e sensiblement adiabatique, puisque l'ensemble des chaleurs Jissies est récupérée par le fluide de travail au refoUeen Q mc-e de réalisation de l'invention proposée consiste raliser un reroidissement par l'extérieur du groupe ce compressio efin de rcialiser une compression plus proche je l isotherme e de réduire ainsi le travail absorbé. Le schéma de ?rtncioa simplifi- d'une installation fonctionnant selon l'invention est représenté par la Figure I1. Le fluide mixte de travail pénètre dans l'évaporateur E1 par la conduite 5 sous forme liquJide eu liquide- vapeur, i1 est partiellement vaporisé dans L1 par refroidisse;men.t d'un fluide extérieur consti uant la source J cohale'r e.qui entre dans l'échangeur par le tuyau. et en ressort ?ar le tyau 7. Le mélange liquide-vapeur issu de lvaporaeur passe par la conduite 1 dans l'échangeur E2 qui assure une récupération thermique par échange avec le motocompresseur hermétique K; dfn l"changeur E2, le mélange poursuit ou acheves s vaporisation et est éventuellement surchauffé jusqu'au point 2, correspondant à la tubulure d'aspiration du corpresseur. Le flidle de travail est ensuite refoulé par une tubulure de sortie du co:mresseur au point 3; le gaz issu du compresseur est ensuite conduit dans le condenseur E3, dans lequel il est désurchauffé, condensé de préférence totalement et éventuellement sous-refreidi --su'au point de sortie. Dans l'échangeur E3, le fluide de travai. csde A-l 'la chaleur à un fluide extérieur, qui pénètre dans E3 par le tuyau 8 et ressort par le tuyau 9. Enfin, le mélange condense 4conduite 4) traverse la vanne de détente V, e travers laquelle il est amenr a la pression d'évaporation. En définitive, l'inventi;on concerne un procéd de production de chaleur et/ou de froid caractêrisé en ce que fa) un fluide mixte de travail (M) à l'état liquide, a:mu:renant au noins deux constituants ne formdnt pas J' a1:é_trope entre eu;:, est arilment vaporisé par échange de chaleur avec un fli1ie ex 'rie'ur, f5) le mélange (M) liquide-vapeur résultant de l'Itaie a) est mis -en cont.act d'échange ou à achever la vaporisation de l'étape (a), (c) le mélange (M) résultant de l'étape (b) est comprimé par le groupe motocompresseur (K), (d) le mélange (M) comprimé est condensé par échange de chaleur avec un fluide extérieur, (e) le mélange (M) liquide obtenu est détendu et recyclé à l'étape (a). Le fluide mixte sera un mélange de deux ou plusieurs composés chimiques distincts et, de préférence, un mélange d'hydrocarbures halogénés, ayant de I à 3 atomes de carbone; parmi ces fluides, on peut citer, le trifluorométhane CHF3 (R23), le chlorotrifluo- rométhane CClF3 (R13), le trifluorobrmométhane CF3Br (R13B1), le chlorodifluorométhane CHClF2 (R22), le chloropentafluoroéthane CClF2 -CF3 (RP15), le dichlorodifluorométhane CCl2F2 (R12), le difluoro- éthane CH3CHF2 (R152a), le chlorodifluoroéthane CH3-CClF2 (R142b), le dichlorofluerométhane CHCl2F (R21), le trichlorofluorométhane CCi3F (R11), le trichlorotrifluoroéthane CCl2FCClF2 (R113), le dichlorohexafluoropropane (R216). L'un au moins des constituants du mélange pourra être un azéotrope de composés chlorofluorocarbonés, corps qui a la propriété de se comporter comme un fluide pur; parmi les principaux azéotropes utilisables, on peut citer: - R500:azéotrope de R12/R152a (73,8 %/26,2 % en poids) R501:azéotrope de R22/R12 (75%/25 % en poids) - R502:azéotrope de R22/R115 (48,8 %/51,2 % en poids) -R503:azéotrope de R23/R13 (40,1 %/59,9 % en poids) - R504:azéotrope de R32/R115 (48,2%/51,8 % en poids) R505:azéotrope de R12/R31 (78,0 %/22,0 % en poids) - R506:azéotrope de R31/R114 (55,1 %/44,9 % en poids) Le fluide mixte sera, de préférence, un mélange d'hydrocarbures halogénés comportant un constituant majoritaire ayant une concentration molaire supérieure à 75 %, par exemple comprise entre 75 et 95 %, le ou les autres constituants représentant le complément à 100 % du mélange. Le constituant majoritaire sera, par exemple, le R13B1, le R22, le R502 le R12 ou le R500. Plusieurs types de mélanges sont utilisables, à titre d'exemple: - des mélanges binaires composés d'un constituant de base cité précédemment et d'un constituant minoritaire, dont la température critique est supérieure; ces mélanges améliorent, en général, le coefficient de performance par rapport au constituant de base utilisé comme fluide pur; on peut citer, parmi ces mélanges binaires, les mélanges suivants: - R22/R114 - R22/R142b - R22/R11 - R502/R11 - R12/R113 - R500/R113 - des mélanges binaires composés d'un constituant de base cité précédemment et d'un constituant dont la température critique est inférieure; ces mélanges améliorent, en général, la capacité thermique par rapport au constituant de base utilisé comme fluide pur; on peut citer, par exemple, les mélanges suivants: - R22/R23 - R502/R23 - R12/R23 - R500/R23 - des mélanges ternaires tels que: R23/R22/R114 R23/R22/R142b En pratique, la pompe à chaleur ou l'installation frigorifique peut présenter par rapport à la Figure 1 des accessoires auxiliaires qui ne modifient pas le principe général de fonctionnement, selon l'invention. Si la vanne de détente est du type thermostatique à bulbe, celui-ci sera placé de préférence sur la tubulure d'aspiration, afin de permettre un contrôle de la surchauffe effective à l'aspiration. Dans le cas o un capillaire assure la détente du réfrigérant un réservoir est souvent placé entre l'évaporateur et le compresseur jouant le rôle de bouteille anti-coup de liquide et d'accumulateur de liquide; dans cette configuration, l'accumulateur sera placé en série entre la sortie de l'échangeur E2 de récupération et la tubulure d'admission du compresseur. De même lorsque la machine est équipée d'une vanne d'inversion de cycle, le mode d'utilisation est conservé dans la mesure o l'échangeur E2 et la tubulure d'aspiration sont placés consécutivement en série dans le circuit. Différents modes de réalisation de l'échangeur E2 sont envisageables. Une première mise en oeuvre consiste en un enroulement hélicoïdal de tubes autour de l'enveloppe du compresseur (Figure 2). La forme des spires et des tubes sera de préférence adaptée de manière à permettre une surface de contact maximum avec l'enveloppe du groupe; généralement, celui-ci se présente comme un cylindre avec des bases arrondies; dans ce cas, les tubes d'échange seront, de préférence, demi-circulaires à bord intérieur droit. La Figure 2 montre un compresseur hermétique ayant des tubulures d'aspiration 14 et de refoulement 15, une enveloppe 10 et un boîtier électrique 11; selon cet agencement, le fluide mixte de travail pénètre dans l'échangeur E2 par le tuyau 12, puis circule à travers les différentes spires jointives 13 enroulées autour du groupe. Le sens -de circulation du fluide et l'agencement des tubes seront adaptés en fonction de la localisation des conduites d'aspiration et de refoulement. La section de passage des tubes d'échange sera de préférence au moins égale à celle du tuyau de liaison provenant de l'évaporateur, afin d'assurer un retour correct de l'huile en circulation dans le circuit vers le compresseur. Uii autre mode de rÉi!isation ne l 'chan eu'r r consiste à disposer au moins une partie du c3mSresur danlS une i ise étan.ne celle- ci constitue une deuxi-me enveloppe, ielle que la section annulaire entre les deux parois soit canstante. Dans le cas ol le motocompresseuir est cylindrique, l'ene-loppe périphérique sera un cylindre concentrique. Un tel auencemen? a l'avantage de permetitre un contact direct entre le iluide de travail en fin d'évaporation et les parois du compressur. Une rise en oeuvre préférée de cette disposition consistera à de.sposer des chicanes, afin de canaliser la circulation du fluide et d',viter l'accumiulation de liquide et d'huile dans la partie inférieure de l'espace annulaire. La Figure 3 représente in compresseur nermétique muni d'une enveloppe 16 et d'un hoti2r électrique 17 et entouré d'une enveloppe concentrique 13. Selon cet agencemnent, le mélange est canalisé entre des chicanes rizontales ees que 19 représentées en pointillés et disposées en quinconce. Le fluide de travail pénètre dans l'échangeut annulaire par le conduit 20; il ressort totalement vaporise et éventueliemenE surchauffé par le tuyau d'aspiration 21, est comprime, puis refoulé par le tuyau 229 Selon une variante du dispnsiitif précèdent le mlange peut être canalisé par des chicanes verticales disposéee; en quinconce dans la zone d'échange selon le même principe. Les chicanes considérées ont seul;ement pour but de canaliser le réfrigérant et ne nécessitent donc pas u.,e ta-nchéité parfaite entre les différentes passes. Dans le cas o l'échange de chaleur est réalisé entre une chemise périphérique et l'enveloppe du motocompresseur, celle-ci pourra avoir une surface développée par rapport à une surFace lisse, afin d'accroître l'aire d'échange. L'enveleppe du rnotccmpresseur pourra, par exemple, être munie d'ailettes ou de canelures ou bien présenter des parois ondulées. Plus g-nralement, tote gcmcrie extérieure de l'enveloppe permed:an': un accroissement e la surface d'échange par rapport à une enveloDp e lisse pourra itre ubiii ebe avec profiti D'autre part, l'enveloppe du compresseur pourra être recouverte d'un revêtement destiné à favoriser la nucléation et la formation de bulles de vapeur du mélange et à accroître la surface d'échange; le revêtement pourra, par exemple, être composé d'un matériau poreux ou fritté. Les exemples suivants illustrent la mise en oeuvre de l'invention dans un cas d'application de pompe à chaleur. 0 EXEMPLE i (selon la technique antérieure) Une pompe a chaleur de type eau/eau, utilisée pour le chauffage d'une habitation, récupère la chaleur, par exemple, sur l'eau d'un puits et chauffe l'eau de retour des radiateurs. A l'évaporateur o ia totalité du fluide de travail est évaporée, l'eau est refroidie de 10 C à 6 C, alors qu'au condenseur la température de l'eau de chauffage varie entre 42 C et 50 C. Le compresseur alternatif à piston et le moteur sont contenus dans un groupe hermétique; celui- ci contient un monocylindre balayant un débit de 9,3 m3/h pour la vitesse nominale du moteur. En fonctionnement normal, le gaz passant dans le compresseur refroidit l'huile et les bobinages du moteur; dans ces conditions, la compression est sensiblement - adiabatique et donc i'ensemble des pertes thermiques sont dissipées dans les gaz refoulés. Un tel mode de fonctionnement conduit à des températures de refoulement généralement élevées. Si le fluide de travail utilisé est un mélange nonazéotropique contenant 85 % en mole de monochlorodifluorométhane (R2?) et 15 % en mole de dichlorotétrafluorcéthane (R114), dans les conditions précédentes, le mélange a une température d'aspiration de 7,7 C et une température de refoulement de 105 C. EXEMPLE 2 (selon i'inverntion) Le gruupe de compression de l'exemple 1 est maintenant muni d'un dispositif de refroidissement placé entre la sortie de l'évaporateur et l'aspiration du compresseur. Le groupe hermétique est un cylindre de diamètre 22 cm dont les faces supérieure et inférieure sont arrondies et dont la hauteur médiane est 34 cm. L'échangeur de refroidissement est un empilement de spires jointives, de section demi-circulaire, enroulées autour du groupe hermétique et ayant une surface d'échange de 0,15 m2 avec ce dernier. Selon cet agencement, on ne vaporise qu'incomplètement le mélange dans l'évaporateur; la vaporisation s'achève, suivie de surchauffe, dans l'échangeur de refroidissement. Celui-ci permet de diminuer sensiblement la température de refoulement, ainsi que la puissance de compression (voir Tableau 1). D'autre part, la fin d'évaporation réalisée dans l'échangeur auxiliaire accroit la température en fin d'ébullition du mélange, ce qui conduit à un taux de compression plus faible. Pratiquement, la température de refoulement est de 75 C et le refroidissement du compresseur représente 505W soit 12,2 % de la puissance prélevée à l'évaporateur. Le Tableau 1 conmpare les caractéristiques de la pompe à chaleur selon les deux modes de fonctionnement du compresseur. CAS COMPRESSION COMPRESSION AVEC ADIACATIQUE REFROIDISSEMENT Puissance thermique fournie par la pompe à chaleur (W) 6261 5703 Puissance absorbée par le compresseur (W) 1932 1597 Coefficient de performance 3,24 3,57 Température de refoulement ( C) 105 75 Pression d'aspiration (bars) 3,92 4,10 Pression de refoulement (bars) 17,68 17,40 Taux de compression 4,51 4,24 L'accroissement du coefficient de performance est dû d'une part à l'abaissement de la température en cours de compression, d'autre part, à la fin d'évaporation du mélange réalisée par récupération thermique sur le compresseur; ce dernier facteur permet une réduction sensible du taux de compression. Dans l'exemple étudié, le titre molaire vaporisé du mélange à la sortie de l'évaporateur et de 90 % et les 10 % restants de liquide sont ensuite vaporisés au contact du motocompresseur. Il pourra être plus faible dans des conditions opératoires pour lesquelles la puissance de compression est élevée. Généralement la fraction molaire vaporisée du mélange à la sortie de l'évaporateur sera supérieure à 80 % et inférieure à 97 %. !i REVENDICATIONS 1.- Procédé de production de,hal'ur et,'ou de froi caractéris en ce que (a) on vaporise partiel!ement un fluide mixte de travail (M) à l'état liquide, ledit f7uidr e,.prenant au moins deux constituants ne formant pas d'azéosrope entre eux, par Echange de chaleur avec un fluide extérieur, (b) onri met le,Elange liquide-vapeur résultant de l'étape (a) en contact: d'échanje thermique avec un système de compression (K) de maritre à poursuivre ou achever la vaporisation de l'étape (a), (c) on comprime le m'lange résultant de l'ètaae (b) dans le système de compression {,), (d) on condense le mélange comprimé lO résultant de l'étape (c) par éc:.ange de chaleur avec un fluide extérieur, et (e) on dsétend le m.iaine liquide obtenu es on le recycle à l'étape (a). 2.- Procédé selon la revendicatéi, i caracterise en ce que le fluide (M) est un mélange d'nydrooarbures ihalogÉnés. 3.- Procédé selon la revendication 1 ou 2 caractrisE en ce que la fraction molaire vaporisée du fluide mlxàe (i) à la sortie de l'évaporateur est comprise entre 80% et 97,'%. 4.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le fluide (M) comprend un conristituant majoritaire dont la fraction molaire est supérieure à 75%. 5.- Procédé selon l'une des reàvendic tions I à 4 caractérisE en ce que le fluide (F1) comprend le R22 comme constituant majoritaire et du R114 ou du Rl42b cemme cor$rituant minori-caire. 6.- ProcEde selon ':nme des revendications I à 4 caracEérisé en ce que le fluide (M) coiepren-d ie._22 co:,me ccnstituant. iaîioritaiere ec du R114 ou du R142b et d, RúIS. i2 7.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que le fluide mixte de travail liquide-vapeur est mis en contact d'échange thermique dans l'étape (b) avec les parois du système de compression (K) par l'intermédiaire de spires hélicoïidales enroulées autour des parois dudit système de compression. 8.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que le fluide mixte de travail liquide vapeur est mis en contact d'échange thermique dans l'étape (b) avec les parois du système de compression (K) par l'intermédiaire d'une chemise étanche enveloppant une partie au moins des parois dudit système. 9.- Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le système de compression comporte une chemise externe destinée à la circulation du fluide de travail et dont la paroi en contact avec ledit système présente une surface plus grande que la surface de la paroi externe de ladite chemise.