Brevet FR2584801A1 — publié le 19870116

1o La présente invention se rapporte à un dis- positif et une installation de pompage de chaleur. Dans le cadre de la présente invention, on entend par une "pompe à chaleur" tout système thermo- dynamique empruntant à l'extérieur de la chaleur à un niveau bas et le restituant à un niveau supérieur à l'aide d'un apport d'énergie mécanique. Suivant le cy- cle, on distingue trois types de pompe à chaleur. Tout d'abord, les pompes à chaleur à cycle ouvert dans les- quelles un compresseur mécanique relève le niveau é- nergétique du fluide de la source froide pour son uti- lisation à la source chaude. Puis, les pompes à cha- leur à cycle fermé à compression o un fluide intermé- diaire est utilisé pour prélever son énergie au fluide de la source froide constituée par un évaporateur. Le fluide intermédiaire, comprimé à l'aide d'un compres- seur mécanique, cède au fluide de la source chaude formée par un condenseur, l'énergie ainsi valorisée, avant d'être recyclé à la source froide au travers d'un dispositif de détente. Enfin, les pompes à cha- leur à cycle fermé à résorption et compression dans lesquelles le fluide de la source froide ainsi que le fluide de la source chaude échangent avec une machine à absorption-résorption fonctionnant sans apport d'é- nergie thermique, mais uniquement avec apport d'éner- gie mécanique. Par ailleurs, on sait que pour élever la pression du fluide vaporisé, les pompes à chaleur dé- crivant un cycle de Rankine, utilisent divers types de machine à compression, comme par exemple des compres- seurs dynamiques centrifuges ou axiaux, ou bien volu- métriques, ou même des thermocompresseurs. Il est éga- lement possible d'absorber la vapeur dans un solvant liquide dont on élèvera alors la pression avant d'en 254-801 désorber le fluide de travail du cycle. Pour chacun de ces cas, il existe un domaine préférentiel d'application, c'est-à-dire dans lequel le rapport des performances aux coûts est le meilleur. Le plus souvent, ces domaines se juxtaposent en se chevauchant parfois partiellement, de sorte que pour une utilisation déterminée le choix de tel ou tel type de machine s'imposera à l'évidence. Par contre, il existe des cas pour lesquels aucune des solutions existantes ne donne des perfor- mances attractives par rapport au coût d'investisse- ment. L'invention permet d'éviter cet inconvénient en transformant les caractéristiques de la pompe à chaleur pour les adapter à des conditions d'utilisa- tion différentes de celles de son domaine préféren- tiel. A cet effet, la présente invention a pour objet un dispositif de pompage de chaleur caractérisé par le fait qu'il comporte une pompe à chaleur à cycle ouvert ou fermé, prévue pour fonctionner entre deux niveaux de température déterminée, couplée à un trans- formateur thermodynamique à au moins trois niveaux d'énergie permettant d'obtenir un fonctionnement dudit dispositif à des niveaux et des écarts de température pouvant être différents de ceux de la pompe à chaleur. On entend par transformateur un système thermodynamique échangeant avec l'extérieur de l'éner- gie par exemple sous forme de chaleur à au moins trois niveaux distincts ce qui le définit comme un système tritherme. L'invention a également pour objet un dispo- sitif du type défini ci-dessus, caractérisé par le fait que le transformateur thermodynamique comporte une entrée d'énergie à niveau moyen et deux sorties à niveaux haut et bas permettant un couplage avec la pompe à chaleur selon trois configurations: à com- pression aval, à entraînement ou à entraînement et compression amont. L'invention a également pour objet un dispo- sitif du type précité, caractérisé par le fait que le transformateur thermodynamique comporte deux entrées d'énergie à niveaux haut ou bas et une sortie à niveau moyen permettant un couplage avec la pompe à chaleur selon trois configurations: à compression amont, à entraînement, ou à entraînement et à compression aval. L'invention a également pour objet une ins- tallation de pompage de chaleur caractérisée par le fait que le dispositif constitué par la pompe à cha- leur couplée au transformateur thermodynamique à au moins trois niveaux d'énergie peut être employé dans un circuit d'utilisation à cycle fermé ou ouvert. L'invention sera mieux comprise à l'aide de- la description qui va suivre, donnée uniquement à ti- tre d'exemple et faite en se référant aux dessins an- nexés, sur lesquels: - les Fig. 1 et 2 sont des schémas montrant différentes possibilités de couplage entre une pompe à chaleur et un transformateur, - les Fig. 3 sont des schémas montrant des exemples de couplage d'une pompe à chaleur avec un transformateur de chaleur du type éjecteur, - et les Fig. 4 sont des schémas montrant des exemples de couplage d une pompe à chaleur avec un transformateur formé par un turbocompresseur. Sur les Fig. 1 et 2, on a représenté plu- sieurs schémas, selon l'invention, montrant différents modes de couplage entre une pompe à chaleur 1 et un transformateur thermodynamique 2. Le transformateur 2 est un système thermody- namique échangeant avec l'extérieur de l'énergie par exemple sous forme de chaleur à au moins trois niveaux distincts. Dans un tel système, la quantité de chaleur échangée au niveau intermédiaire est égale et de sens opposé à la somme des quantités échangées aux deux ni- veaux extrêmes. On peut donc classer les transformateurs trithermes selon deux catégories: - la première o le système reçoit de la chaleur au niveau intermédiaire et cède cette même quantité de chaleur à deux niveaux différents, l'un supérieur et l'autre inférieur au niveau de l'apport. comme représenté sur les Fig. la, lb et le et désigné par la suite transformateur de type A, - la seconde o le système reçoit de la cha- leur à deux niveaux différents, l'un supérieur et l'autre inférieur, et cède à un niveau intermédiaire une quantité de chaleur égale à la somme de celle qu'il a reçue, comme représenté sur les Fig. 2a, 2b et 2c et désigné par la suite transformateur de type B. Par conséquent, en désignant les trois ni- veaux d'échange du transformateur par TH pour le ni- veau haut, TM pour le niveau moyen et TB pour le ni- veau bas, on voit que l'on peut coupler la pompe à chaleur entre TB et TM ou entre TB et TH avec un transformateur de type A, et entre TM et TH ou entre TB et TH avec un transformateur de type B. En effet, en se reportant aux Fig. 1, le transformateur 2 reçoit un fluide à un niveau TM et restitue ce fluide à deux niveaux TH et TB. Dans le cas de la Fig. la, la pompe à cha- leur 1 est placée au niveau de la sortie TB du trans- formateur 2 et remonte la température du fluide du niveau TB au niveau TH pour son utilisation en même temps que le fluide sortant directement du transfor- mateur au niveau TH, définissant un système à compres- sion aval. Sur la Fig. lb, la pompe à chaleur 1, éga- lement placée au niveau de la sortie TB du transfor- mateur, remonte la température du fluide du niveau TB au niveau TM pour le réintroduire à ce niveau dans le transformateur, définissant un système à entrainement. A la Fig. lc, la pompe à chaleur 1 placée comme dans le cas de la Fig. lb, est en plus utilisée pour remonter la température du fluide extérieur ar- rivant à une température basse, jusqu'à la température TM d'entrée du transformateur, définissant un système à entraînement et compression amont. En se reportant maintenant aux Fig. 2, cor- respondant au transformateur de type B décrit précé- demment, le système reçoit de la chaleur à deux ni- veaux différents TB et TH. Dans l'exemple de la Fig. 2a, la pompe à chaleur est placée en amont du transformateur 2. Ce transformateur reçoit une partie du fluide à un niveau de température TB, et l'autre partie traverse la pompe à chaleur 1 qui relève sa température du niveau TB au niveau TH avant l'introduction dans le transformateur. Le transformateur cède, à un niveau de température in- termédiaire TM, une quantité de chaleur égale à la somme de celle qu'il a reçue, définissant un système à compression amont. Sur la Fig. 2b, la pompe à chaleur 1 est placée en aval du transformateur et une partie du fluide sortant dudit transformateur au niveau de tem- pérature TM est prélevée, et traverse la pompe à cha- leur qui remonte la température dudit fluide au niveau TH, avant sa réintroduction dans le transformateur, définissant un système à entraînement. A la Fig. 2c, la pompe à chaleur 1 est éga- lement placée en aval du transformateur et la totalité du fluide sortant du transformateur au niveau de tem- pérature TM est canalisée vers la pompe à chaleur 1 qui relève sa température au niveau TH. A la sortie de ladite pompe à chaleur, une partie du fluide est recy- clée à l'entrée du transformateur à la température TH et l'autre partie est envoyée vers l'utilisation, dé- finissant un système à entraînement et compression aval. Dans un transformateur à trois niveaux d'é- nergie. tel qu'utilisé dans les exemples ci-dessus, le cycle thermodynamique comprend toujours deux portions parcourues en sens inverse, l'une est "motrice", c'est-à-dire que l'énergie y est dégradée permettant ainsi au système de fournir du travail vers l'exté- rieur, et la seconde est "réceptrice", c'est-à-dire qu'elle reçoit le travail fourni par la précédente permettant ainsi de revaloriser le niveau de l'énergie dans les échanges avec l'extérieur. Ces deux portions de cycle doivent être couplées. Selon la nature du couplage, on peut donc distinguer plusieurs sortes de transformateur: - des transformateurs à couplage dynamique o l'échange est réalisé par mélange des quantités de mouvements entre un fluide moteur et un fluide récep- teur, dénommés usuellement éjecteur, - des transformateurs à couplage mécanique dans lesquels un accouplement est réalisé entre une machine tournante motrice et une autre réceptrice, c est le cas des turbocompresseurs, - et enfin des transformateurs à couplage chimique o on utilise la variation de solubilité en fonction de la pression et de la température dans une machine dite à "sorption". D'autre part, la structure interne du trans- formateur tritherme peut également avoir trois confi- gurations possibles pour chacun des types A et B indi- qués précédemment. En effet, le flux du niveau intermédiaire peut être partagé entre la partie motrice et réceptri- ce du transformateur, ou traverser dans sa totalité la partie motrice du transformateur, ou encore traverser dans sa totalité la partie réceptrice dudit transfor- mateur. On voit donc qu'il existe théoriquement dix- huit possibilités de couplage entre une pompe à cha- leur et un transformateur à trois niveaux d'énergie; ce nombre pouvant être réduit suivant la nature du transformateur et l'intérêt recherché. Parmi les différents couplages possibles, on va décrire ci-dessous, en se reportant aux Fig. 3 et 4, quelques exemples intéressants. Tout d'abord, dans le cas d'un transforma- teur du type à éjecteur désigné par la référence 20 sur la Fig. 3, les niveaux TH, TM, TB correspondent à la température saturante d'un fluide condensable aux pressions PH, PH, PB. Dans ce type d'appareils, un fluide moteur, par exemple de la vapeur d'eau, est reçu à haute pres- sion (niveau TH) et, par détente jusqu'à la basse pression (niveau TB), est accéléré à grande vitesse. Il est alors mélangé avec le fluide secondaire au ni- veau TB que l'on veut comprimer. Par addition des Z584801 quantités de mouvements, le mélange des deux fluides se trouve alors à un régime de vitesse intermédiaire entre la grande vitesse du fluide-moteur et celle, in- férieure, du fluide secondaire. Cette vitesse est alors convertie en augmentation de pression dans le diffuseur 21 de l'éjecteur 20 pour fournir le fluide de travail (niveau TM). Etant donnée la conception de l'éjecteur 20, cette machine est du type B c'est-à-dire qu'elle re- çoit le fluide à deux niveaux différents TH et TB, et sa configuration interne est du type dans lequel le flux du niveau intermédiaire traverse dans sa totalité la partie réceptrice constituée par le diffuseur 21. Par conséquent, on ne peut avoir, pour un transformateur de type à éjecteur, que trois modes d'association avec une pompe à chaleur 1, comme repré- senté sur les Fig. 3. Dans le cas de la Fig. 3a, correspondant au système à compression amont, la pompe à chaleur 1 est constituée d'un compresseur et placée en amont de l'é- jecteur 20. Une partie du fluide (niveau TB) est pré- levée et traverse le compresseur 1 qui relève le ni- veau de pression du fluide du niveau TB jusqu'au ni- veau TH avant son introduction dans l'éjecteur 20 o il est mélangé avec le fluide secondaire. Sur la Fig. 3b, le compresseur 1 est placé en aval de l'éjecteur 20 et une partie du fluide sor- tant du diffuseur 21 de l'éjecteur (niveau TH) est dirigée vers le compresseur qui relève le niveau de pression du fluide du niveau TM au niveau TH avant son introduction dans l'éjecteur, définissant un système à entraînement. Enfin, sur la Fig. 3c, le compresseur 1 est également disposé en aval de l'éjecteur 20 et la tota- lité du fluide sortant du diffuseur 21 de l'éjecteur au niveau TM traverse ledit compresseur pour rele- ver le niveau de pression de ce fluide du niveau TM au niveau TH. Une partie du fluide est prélevée en aval du compresseur et dirigée à l'entrée de l'éjecteur 20 au niveau TH, définissant un système à entraînement et compression aval. Le compresseur peut éventuellement être rem- placé par une pompe à chaleur, par exemple à cycle fermé, échangeant de la chaleur aux différents niveaux pour alimenter le niveau TH. Dans le cas d'un éjecteur à vapeur d'eau, il faut souligner le grand avantage de cette association par rapport au mode usuel de génération par voie ther- mique de la vapeur motrice. En effet, l'éjecteur n'u- tilise que très partiellement la chute enthalpique théoriquement disponible dans la vapeur. Par exemple, avec une élévation de la pression de la vapeur motrice de 1 à 5 bars (pression absolue), la génération par voie thermique consomme cinq fois plus d'énergie envi- ron que par compression mécanique. L'exemple de couplage représenté à la Fig. 3a est bien adapté à l'emploi d'une pompe à chaleur constituée uniquement d'un compresseur volumétrique puisque l'on peut en augmenter le taux de compression, ce qui réduit la consommation de l'éjecteur et donc le débit volumique du compresseur. Cet exemple se-prête également bien à l'emploi d'une pompe à chaleur à cir- cuit fermé, qui permet, en diminuant le flux thermique passant dans la pompe à chaleur, de diminuer les sur- faces d'échange et donc l'investissement de la pompe à chaleur. Par contre, l'exemple représenté à la Fig. 3c conduit à un accroissement du débit dans le com- presseur et sera donc, de préférence, envisagé pour une machine de compression dynamique. D'autres fluides que la vapeur d'eau, mono- phasiques ou non, peuvent bien sûr être utilisés. En se reportant maintenant aux Fig. 4, on va décrire deux exemples d'association d'une pompe à cha- leur avec un transformateur de type turbocompresseur. D'autres possibilités de couplage sont évidemment possibles. Par turbocompresseur, on entend une machine constituée soit par un compresseur dynamique entraîné par une turbine de détente soit un ensemble de deux machines volumétriques, l'une motrice, l'autre récep- trice, cet ensemble n'ayant aucune liaison mécanique avec des sources extérieures d'énergie mécanique addi- tionnelle. Sur la Fig. 4a, on a représenté un turbo- compresseur 30 formé par un compresseur dynamique 31 entraîné par une turbine de détente 32. En amont du compresseur dynamique 31 est disposé le compresseur à entrainement mécanique 10 formant la pompe à chaleur. Ce compresseur 10 alimente en parallèle l'aspiration du compresseur dynamique 31 et l'admission de la tur- bine 32. L'échappement de la turbine 32 est relié à l'aspiration du compresseur 10. L'énergie ainsi recueillie par la turbine 32, dont l'échappement est à une pression voisine de celle de l'aspiration du compresseur à entraînement mécanique 10, permet de comprimer le fluide passant dans le compresseur dynamique 31 qu'elle entraine. Pour moduler le fonctionnement du système, un élément de régulation de débit constitué par une vanne de laminage 5 associée à un dispositif de dé- surchauffe 6 peut éventuellement être placé sur l'é- chappement de la turbine 32 en amont du compresseur 10. Cette vanne 5 peut également être placée sur l'admission de la turbine 32 ou sur l'aspiration du compresseur dynamique 31, ou encore sur l'alimentation 11 du compresseur 10. Le débit passant dans le compresseur à en- trainement mécanique aura donc été augmenté par rap- port à celui qui aurait traversé dans un montage en solo, du débit détendu par la turbine. Par contre son taux de compression aura été réduit de la valeur réa- lisée dans le turbocompresseur. Cette configuration devient particulièrement intéressante quand le débit de fluide à comprimer cor- respond au minimum de la plage des machines dynami- ques. En effet, dans ce cas, le faible diamètre du rouet du fait du faible débit et de sa grande vitesse périphérique à cause du taux de compression élevé conduirait le compresseur à entraînement mécanique à tourner à des vitesses de rotation très importantes, pouvant dépasser 30. 000 tours/minute ce qui pose des problèmes difficiles pour la transmission de la puis- sance à partir du moteur d'entraînement. Dans l'association envisagée, la machine à entraînement mécanique a une vitesse de rotation modé- rée, du fait du débit accru et du taux de compression réduit. Le complément de compression est assuré par le turbocompresseur qui est une machine sans aucune liai- son de transmission mécanique avec l'extérieur et pou- vant donc tourner à haute vitesse. Sur la Fig. 4b, l'aspiration du compresseur dynamique 31 est directement alimentée par le fluide extérieur et le compresseur à entraînement mécanique alimente l'admission de la turbine 32. Il est éga- lement possible de monter un élément de régulation de débit sur l'aspiration du compresseur 10. Cet élément de régulation peut être constitué par exemple par une vanne de laminage ou un casier de vantelleS dans le cas de compresseurs centrifuges. Enfin, comme il a été indiqué précédemment, la pompe à chaleur peut être couplée à un transforma- teur à absorption. Dans ce qui suit "absorption" doit être pris au sens le plus large de "sorption" qu'il s'agisse d'une unité classique avec évaporationcondensation du soluté pratiquement pur ou bien d'un cycle dit 'ab- sorption-résorption" dans lequel un désorbeur remplace l'évaporateur et un résorbeur, le condenseur. Dans un tel système, les deux portions du cycle peuvent se combiner selon la configuration du type A'c'est-à-dire o le transformateur reçoit de la chaleur au niveau intermédiaire TM, ou de type B dans lequel le transformateur reçoit de la chaleur à deux niveaux différents TB et TH. La configuration de type A associée à une pompe à chaleur fonctionnant entre les niveaux TB et TM est particulièrement intéressante, car il est ainsi possible d'obtenir une valeur de TH bien supérieure à * ce que permettrait la technologie du matériel consti- tuant la pompe à chaleur utilisée en solo. On peut ainsi par exemple approcher 200'C alors que la pompe à chaleur est conçue pour fonctionner entre 30' et 'C. Il sera ainsi possible d'utiliser des compres- seurs usuels à fluide organique lubrifiés ou non. D'après ce qui précède, on voit donc qu'il existe, en fonction du type de transformateur et de la structure interne dudit transformateur, différentes possibilités de couplage entre une pompe à chaleur et un transformateur à trois niveaux d'énergie. Mais, il existe une première contrainte qui lie l'un des écarts de température (TH - TM, TH - TB ou TM - TB) du transformateur à l'écart de température réalisé par la pompe à chaleur. Le rendement du cou- plage entre les deux parties du cycle du transforma- teur varie notablement selon la valeur de l'écart, et cette variation n'est pas identique pour les divers types. D'autre part, le niveau extrême de température atteint, haut ou bas, peut aussi orienter le choix. Une trop faible température basse conduit par exemple à un débit volumique excessif ou, au contraire, une température haute trop élevée peut, par exemple, pro- voquer une dissociation du fluide. Les quantités de chaleur échangées aux trois niveaux de température du transformateur sont liées entre elles en fonction des deux intervalles de tempé- rature et, pour un cycle réversible, on pourra écri- re: QH(TH - TM) = TH QB(TM - TB) avec = Q + IQHI en appelant QB, QM, QH les chaleurs échangées entre le transformateur et l'extérieur, respectivement aux tem- pératures TB, TM et TH. En conséquence, pour des valeurs de TH et TB fixes, on voit que les produits des écarts de tempéra- ture entre TH et TM d'une part, et TM et TB de l'au- tre, par les quantités de chaleur échangées respecti- vement à TH et TB, varient peu et donc on peut augmen- ter un échange en réduisant l'intervalle correspon- dant, et réciproquement. Par exemple, si l'on désire relever de 10'C une quantité de chaleur Q, on pourra utiliser un transformateur associé à une pompe à cha- leur qui échangera sur un intervalle de 20'C une quan- tité de chaleur voisine de Q/2, ou inversement on pourra utiliser un transformateur associé avec une pompe à chaleur qui échangera sur un intervalle de température de 5'C une quantité de chaleur voisine de 2Q. Il est ainsi possible, pour une application donnée, de faire fonctionner la pompe à chaleur sur l'écart de température le mieux adapté. Comme le débit de fluide circulant dans la pompe à chaleur varie avec la quantité de chaleur échangée et celle-ci en sens inverse de l'écart de température, on pourra à volonté modifier le débit volumique de la machine. Ainsi, par exemple, avec une machine volumétrique, on a intérêt à réduire ce débit alors que le taux de compression peut être accru dans des proportions notables sans inciden- ce sur le coût de la machine. Ce dispositif peut être employé dans une installation dont le circuit d'utilisation est à cycle fermé ou ouvert, et dans ce dernier cas, il peut y avoir couplage thermique entre la source chaude et la source froide, par exemple du type à évaporateur, cristalliseur, colonne à distiller, séchoir, produc- tion de vapeur, etc... REVENDICATIONS 1.- Dispositif de pompage de chaleur, carac- térisé par le fait qu'il comporte une pompe à chaleur (1) à cycle ouvert ou fermé, prévue pour fonctionner entre deux niveaux de température déterminée, couplée à un transformateur thermodynamique (2, 20, 30) à au moins trois niveaux d'énergie (TH, TB, TM) permettant d'obtenir un fonctionnement dudit dispositif à des niveaux et des écarts de température pouvant être dif- férents de ceux de la pompe à chaleur (1). 2.- Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé par le fait que le transformateur thermody- namique comporte une entrée d'énergie à niveau moyen (TM) et deux sorties à niveaux haut (TH) et bas (TB) permettant un couplage avec la pompe à chaleur selon trois configurations: à compression aval, à entraine- ment, ou à entrainement et compression amont. 3.- Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé par le fait que le transformateur thermody- namique comporte deux entrées d'énergie à niveau haut (TH) ou bas (TB), et une sortie à niveau moyen (TM) permettant un couplage avec la pompe à chaleur selon trois configurations: à compression amont, à entrai- nement ou à entraînement et à compression aval. 4.- Dispositif selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé par le fait que, selon l'utilisation, le transformateur thermodynamique peut avoir trois configurations internes pour que le flux, au niveau intermédiaire, soit partagé entre la partie moteur et réceptrice dudit transformateur, ou traverse dans sa totalité la partie motrice, ou encore traverse dans sa totalité la partie réceptrice. 5.- Dispositif selon les revendications 1 et 3, caractérisé par le fait que le transformateur ther- 2584O01 modynamique est un transformateur à couplage dynamique du type éjecteur (20). 6.- Dispositif selon les revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que le transformateur thermodynamique est un transformateur à couplage méca- nique du type turbocompresseur (30). 7.- Dispositif selon les revendications 1, 2 et 3. caractérisé par le fait que le transformateur thermodynamique est un transformateur à couplage chi- mique du type à absorption. 8.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la pompe à chaleur (1) est constituée par un com- presseur. 9.- Installation de pompage de chaleur, ca- ractérisée par le fait que le dispositif constitué par la pompe à chaleur (1) couplée au transformateur ther- modynamique (2, 20, 30) à au moins trois niveaux d'é- nergie peut être employé dans un circuit d'utilisation à cycle fermé ou ouvert. 10.- Installation selon la revendication 9, caractérisée par le fait que le circuit d'utilisation à cycle ouvert est à couplage thermique entre la sour- ce chaude et la source froide.