Brevet FR2585457A1 — publié le 19870130

La présente invention se rapporte à une chaudière thermody- namique fonctionnant d'aprbs un cycle à compression traditionnel mais utilisant d'une part, un compreiseur à dilatation de liquide et, d'autre part une puissance évaporatrice interne au systeme. De façon courante ce genre d'appareil, ddnommé commercialement "pompe à chaleur" comprend un compresseur électrique aspirant un fluide réfrigérant gazeux, à une pression et une temprature rela- tivement basses, qui comprime ce fluide gazeux à une pression et température hautes, un condenseur, habituellement à air ou à eau, pour condenser le fluide réfrigérant à pression et tempdrature constantee,un détendeur par laquel le gaz liquéfié est détendu dans une zone de basse pression comprenant un évaporateur, habituellement à air ou à eau, dans lequel le réfrigérant liquéfié absorbe sa chaleur de vaporisation.Ce système, qu'il soit muni d'un avapo- rateur à air ou à eau présente un inconvénient majeur: - pour l'eau, d'entrainer des consommations trds importantes, - pour l'air, de provoquer la formation de givre sur l'áva- porateur lorsque la température extérieure descend à une valeur de + 3 à + 5 CC. Pour éviter cet inconvénient, un détecteur de givre permet l'inversion du cycle frigorifique. Ainsi les gaz chauds sont envoyés dans l'évaporateur et assurent le dégivrage. Dans d'autre cas, se sont des éléments chauffants électri- ques qui assurent le dégivrage. Dans l'un et l'autre des cas l'intér8t energetique du systè- me et notablement minimise, Du fait de ces inconvenients ce genre d'appareil n'est utilisable que dans les zones géographiques à climats tempérés. D'autre part ces appareils sont bruyants en raison de l'utilisation d'un compresseur électrique et d'un ventilateur, dans le cas d'evaporateur à air. Le but de la présente invention est de proposer un système n'entratnant, aucune consommation d'eau, aucun risque de givrage de l'évaporateur et permettant d'assurer des performances thermiques constantes et élevées même dans les régions les plus froides du Monde, D'autre part cet appareil est absolument silencieux quelle que soit sa puissance. A cet effet, conformément à l'invention, la chaudière thermodynamique comprend: - un compresseur à dilatation de liquide utilisant une énergie motrice pouvant-être l'électricité, le gaz, le fuel, le solaire ou les rejets calorifiques d'usine. - un condenseur à eau, placé dans un ballon qui assure une inertie thermique au circuit de chauffage, bien que cette disposition ne soit pas nécessaire au fonctionnement du système, le condenseur pouvant-être du type à tubes coaxiaux. - un détendeur thermostatique délimitant les zones haute et basse pression du système. - un évaporateur à eau, à tubes coaxiaux, puisant l'énergie calorifique, nécessaire à l'évaporation du fluide réfrigérant, dans le système lui-même. Le compresseur comporte au moins deux générateurs de pression et deux convertisseurs de pression. Toutefois, sans que pour cela le principe de l'invention soit modifié, deux générateurs de pression peuvent alimenter un nombre supérieur et non limité de convertisseurs de pression. Les générateurs de pression,qui contienneht un produit à l'état liquide dont le coefficient de dilatation est tfés élevé pour de faibles écarts de températures, sont alternativement chauffés et refroidis de façon à obtenir la dilatation et ia rétraction du liquide. Ce liquide sera avantageusement du Bromotrifluorométhane car c'est un produit chimiquement stable aux températures entre lesquelles les variations volumiques sont les plus favorables. D'autre part ce produit est couramment utilisé comme agent extincteur, il ne présente donc pas de risque d'inflammabilité ni d'explosion et n'est pas toxique. Toutefois, tout autre fluide liquide peut-être utilisé dans la mesure ou les variations volumiques obtenues permettent de maintenir l'intérêt énergétique de la présente invention. L' énergie de pression engendrée par la dilatation du liquide est transmise, par l'intermédiaire de pistons, au circuit frigorifique. Les circuits d'aspiration et de refoulement du compresseur sont délimités par des clapets, qui orientent le sens d'écoulemeht du fluide frigorigène, en fonction des pressions qui règnent dans les circuits frigorifiques. Comme il l'est dit précédemment, toutes les énergies traditionnelles peuvent assurer le réchauffage du fluide qui se dilate. Le fluide de refroidissement, permettant la rétraction du liquide, est le circuit de retour de l'installation de chauffage. Les débits et températures des fluides de chauffage et de refroidissement seront déterminés de façon à ce que les échanges thermiques se fassent dans le même temps. De ce fait, la commutation des cycles peut-êése réalisée par action d'un relais temporiAé,sur des électrovannes. Un compresseur à dilatation de liquide est décrit dans la demande de brevet déposée par le demandeur le 5 Avril 1979 et ense- gistrée sous le nO 79 08589. Contrairement à ce qui y est indiqué le rendement du compresseur ne varie pas en fonction de l'écart de température entre une source chaude et une source froide. En effet la puissance mécanique développée par le système n'est pas produite par la détente d'un fluide se trouvant à une pression correspondant à la température TI de le source chaude, par rapport à la pression correspondant à la température TO de la source froide. S'il en était ainsi le rendement serait alors défini par la formule universellement connue: p S T1-TO 273-T1 Avantageusement, selon l'invention proposée, l'énergie mécanique développée correspond à la différence de masse volumique d'une quantité de liquide qui se dilate entre une température tl et une température t2. Le rendement est lié aux carotéristiques physiques du liquide1 il est donc défini par la relation: h g Pm Pc ou Pm est la puissance mécanique fournie par le système Pc est la consommation énergétique nécessaire pour assurer les variations de masse volumique du liquide. En opposition à la demande de brevet nO 79 08589, la conception du compresseur telle qu'elle est proposée permet: - de supprimer tous les risques de réchauffage des masses métalliques du compresseur quipourraient entrainer l'arrêt complet de son fonctionnement. - de désolidariser entièrement le mouvement de cheque piston générateur de pression et de supprimer ainsi les cylindres annexes. - d'obtenir des différences de pression dans les divers volumes du compresseur qui autorisent l'utilisation de membranes assurant une étanchéité parfaite entre les fluides. La demande de brevet n0 79 09423 déposée le 13 Avril 1979 se rapporte 9 un moteur thermique utilisant la dilatation d'un fluide. Bien que cette demande n'ait pas de lien avec l'objet de le présents invention, il semble nécessaire de préciser que la conception des circuits assurant la distribution des fluides chaud et froid, à la pression atmosphérique, ne permet pas au système de fonctionner. En effet, les deux vannes quatre voies automatiques dont le but est de stabiliser la température des fluides caloporteurs ne pourront pas assurer leur fonction car elles ont une perte de charge qui ne permet pas suc fluides de retourner dans les ballons, par simple gravité. De ce fait, les fluides caloporteurs, circulant par ruissellement dans les corps d'échange, receuillis dans des gouttières, s'accumuleront dans ces dernières et ensuite déborderont. Après quelques cycles les ballons seront vides et le fonctionnement du moteur sera arrosé car il n'y aura plus d'échange thermique. L'origind ité de la chaudière thermodynamique porte comme il ltest déJà précisé, sur l'utilisation d'une puissance calorifique nécessaire b l'évaporation du fluide réfrigérant interne au système. A cet effet, le fluide' de retour de l'installation de chauffage est utilisé pour le refroidissement du liquide moteur d'un des générateurs de pression, au cours du passage duquel Sa température s'élève, puis il est ensuite orienté vers llévaporateur coaxial dans lequel il cède les calories nécessaires à l'évapora tion du réfrigérant. Ainsi, approximativement, la puissance évaporatrice provient pour 41 % du refroidissement du liquide moteur et pour 59 % de la puissance développée au condenseur. Le puissance calorifique utile, donc disponible pour le circuit de chauffage, sera calculés par la relation t Pcu = t( Pcc + C.eng ) - Pev dans laquelle: Pcc est la puissance caloriFique totale développée au condenseur. C.eng est la consommation énergétique. Pev est la puissance évaporatrice. Pour définir le rendement énergétique des systèmes thermodynamiques tels que les pompes à chaleur on utilise la notion de coefficient de performance (COP). Il est le rapport entre la puissance calorifique disponible et la puissance absorbée. Dans les systèmes traditionnels le CDP varie en fonction de le température extérieurs et, est défini par rapport, obligatoirement à la consommation électrique de l'appareil. Dans le cas de la chaudière thermodynamique le COP est constant, quelle que soit la températu- re extérieure et s'applique, de la même manière, quelle que soit l'énergie utilisée pour assurer le fonctionnement du compresseur à dilatation de liquide. Les caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de le description qui va suivre, description faite en référence au dessin de la figure 1 annexée et qui est une vue schématique de la chaudière thermodynamique, selon l'invention, le compresseur fonctionnant à partir d'un fluide chaud. Sur la figure 1 sont représentés, schématiquement, las principaux éléments nécessaires au fonctionnement d'une chaudière thermodynamique et qui comprennent essentiellement: - deux générateurs de pression 1 et 2 qui contiennent chacun le liquide moteur, munis d'échangeurs thermiques 3 et 4 traversés, soiun fluide chaud, soit par un fluide de refroidissement, de façon cyclique, par l'intermédiaire d'une vanne directionnelle 5. Le fluide chaud, raccordé sur la vanne directionnelle 5 par les canalisations 6 et 7 peut provenird'installationsà eau chaude existantes ou neuves fonctionnnt au fuel, au gaz, à l'électricité, à partir de l'énergie solaire ou bien provenir de rejets calorifiques d'usine.Le fluide de refroidissement est constitué par le circuit de retour de l'installation de chauffage et est raccordé à la vanne directionnelle 5 par la canalisation 37. Une vanne électromagnétique, ou autre, 8, montée sur la ca- nalisation 9 laquelle relie les deux générateurs de pression, permet, à le fin de chaque cycle d'équilibrer les pressions. - un compresseur à dilatation de liquide comprenant lui mess: . deux convertisseurs de pression 10 et 11 qui transforment l'énergie de pression en mouvement alternatif grâce aux pistons 12 et 13 qui assurent, par les membranes à développement 14 et 15, une étanchéité parfaite entre les fluides. Les convertisseurs de pression sont reliés aux générateurs de pression par les canalisations 16 et 17 qui permettent au liquide moteur de se déplacer en fonction des phases de dilatation ou de rétraction. quatre volumes 18, 19, 20 et 21 dans lesquels le fluide réfrigérant est aspiré ou comprimé alternativement. Les volumes 18-20 et 19-21 sont réunis entre eux, deux par deux, par les canalisations 22 et 23 et sont ainsi soit côté aspiration, soit côté refoulement deux par deux. Cette disposition permet l'utilisation de tous les volumes libres du compresseur et de maintenir, dans tous les cas, des différences de pression, notamment entre les volumes 18 et 21 et les convertisseurs de pression, qui autorisent l'utilisation de membranes d'étanchéité.Les volumes 19 et 20 sont délimités par un piston 24 lui même relié aux pistons 12 et 13 par les tiges 25 et 26. La tige 26 est désolidarisée du piston 24 de façon à ce que le mouvement des pistons 12 et 13 puisse se faire, indépendamment l'un de l'autre, en fonction du temps de réaction du liquide moteur au cycle de rétraction. Toutefois, la tige 26 est maintenue au centre du piston 24 par le dispositif coulissant 27, - un circuit frigorifique traditionnel comprenant: un condenseur 28 placé dans un ballon 29 revêtu d'une isolation thermique 30. Le condenseur 28 est relié au compresseur par une canalisation 31 qui comprend un ensemble de deux clapets de retenue 33 et 35 qui mettent en communication la canalisation 31 au côté haute pression du compresseur. Le ballon 29 est muni d'un thermostat 36 qui commande la mise en route ou l'arrêt de la chaudière thermodynamique. un évaporateur 39 de type à deux tubes coaxiaux relié, d'une part au condenseur par la canlisation 40 et par le détendeur 41 et, d'autre part, au compresseur par la canalisation 42 et les clapets de retenue 32 et 34 qui mettent en communication la canalisation 42 au côté basse pression du compresseur. Le second circuit de l'évaporateur 39 est traversé par le fluide de retour de l'installation de chauffage qui, après avoir assuré le refroidissement du liquide moteur d'un des générateurs de pression, est relié de la vanne directionnelle 5 à l'évaporateur 39 par la canalisation 38 qui elle même se raccords à la sortie de l'évaporateur 39 à la canalasation 43 qui revient sur le ballon 29. une vanne trois voies motorisée 44 qui relie le circuit de retour de l'installation de chauffage à la vanne directionnelleS par la canalisation 37 lorsque la chaudière thermodynamique est an fonctionnement, ou bien l'oriente par la canalisation 43 vers le ballon 29 lorsque le circuit 46 de l'installation de chauffage a atteint la température désirée et réglée par le thermostat 36 et que de ce fait la chaudière thermodynamique est à l'arr & . La pompe 47 essure la circulatiog du fluide dans l'installation de chauffage. Suivant la figure 1 et conformément à la description préc- dente, le fonctionnement de la chaudière thermodynamique est assuré de la façon suivantes Lorsque la pompe 47 est an service et que la température, contrôlée par le thermostat 36, est inférieure à la valeur désirée, la vanne 44 oriente le fluide du circuit 45 vers la vanne directionnelle 5, par la canalisation 37, ladite vanne permettant d'alimenter, en fluide de refroidissement et de chauffage, par la canalisation 6, les générateurs de pression. Conformément à la figure 1 la fluide de chauffage est orienté vers le générateur de pression 2 et la fluide de refroidissement vers le générateur de pression 1, Sous l'action de la chaleur déragée par l'échangeur 4, le liquide moteur contenu dans le générateur de pression 2 se dilate et exerce une pression, par la canlisation 17, de façon à permettre la course des pistons 13 et 24.Lorsque l'effort engendré par la dilatation du liquide sera supérieur à l'effort résistant du fluide frigorigène, à l'état gazeux, contenu dans les volumes 19 et 21 du compresseur, les pistons 13 et 24 se déplaceront et provoqueront la compression et l'élévation de la température du fluide frigorigène gazeux lequel sera alors dirigé vers le condenseur 28, par la canalisation 31 et le clapet de retenu 33, ou il passera de la phase gazeuse à la phase liquide en cédant sa chaleur de condensation au circuit de chauffage circulant dans le ballon 29. Au passage du détendeur 41 le liquide frigorigène sera détendu dans l'évaporateur ou il puisera, dans une zone de basse pression, sa chaleur de vaporisation au circuit 38 correspondant au fluide de retour de l'installation de chauffage qui, après avoir refroidi le liquide moteur contenu dans le générateur de pression 1, traverse l'évaporateur et retourne au ballon 29 par la canalisation 43 pour y être réchauffé. Le fluide frigorigène à nouveau à l'état gazeux à sa sortie de l'evaporateur est aspiré dans les volumes 18 et 20 du compresseur, par la canalisation 42 et le clapet de retenue 34. La stabilité de le température des circuits 6 et 37 permet un fonctionnement cyclique à raison d'environ un cycle par min-ute. De ce fait la commande d'inversion de circulation des fluides de réchauffage et de refroidissement sera assurés par un relais de temporisation, non figuré, qui agira sur la vanne directionnelle 5 laquelle orientera alors le fluide chaud vers l'échangeur 3 et le fluide de refroidissement vers l'échangeur 4. Ainsi les cycles se succèderont tant que la température désirée dans le ballon 29 ne sera pas atteinte et que la pompe 47 sera en service. Lorsque la pompe 47 est en service et le ballon 29 à la tem- température désirée, le fonctionnement du cycle thermodynamique sera arrêté et le vanne 44 dirigera le fluide du circuit 45 vers le ballon 29 par la canalisation 43. Le fluide réfrigéranr peut-être un fluide traditionnellement utilisé dans les machines thermodynamiques comme, par exemple, le Dichlorodifluorométhane (R 12), le Chîcrodifluorométhane (R 22). Avantageusement, on utilisera le Bromotrifluorométhane (R 13 81) car son poids spécifique à l'état gazeux permet de réduire de façon importante le volume du compresseur et d'augmenter, de ce fait, le rendement de ce dernier. D'autre part, le Brometrifluoreméthane est préconisé comme fluide moteur, il est donc interressant d'utiliser les mêmes fluides dans un but de faciliter la mise en oeuvre et la maintanance du systèir. Par ailleurs, cela simplifie le choix des matériaux constituant le compresseur, notamment en ce qui concerne leur competibilité avec les fluides utilisés, et particulièrement pour le choix des membranes d'étanchéité 14 et 15. La présente invention ne s'appliqua pas seulement à la des crision précédente mais en couvre toutes les variantes de réalisation à adapter, notamment en ce qui concerne la conception des gêné rateurs de pression, en fonction de la source d'énergie utilisée pour le réchauffage du liquide moteur. Les générateurs de pression peuvent-être des chaudières fonctionnant au fuel, au gaz ou à l'électricité au nombre de deux minimum, qui fonctionneraient alternativement et qui seraient qui pées d'un circuit de refroidissement, sans pour cela sortir du cadre de l'invention. De même, la présente invention s'applique à des appareils comportant deux générateurs de pression et un nombre de compresseurs supérieur à un. La capacité et la puissance thermique des deux générateurs de pression devront alors pouvoir assurer le fonctionnement du nombre de compresseurs retenu et qui est fonction de la puissance calorifique que l'on désire obtenir au condenseur. Les applications de l'invention sont très nombreuses tant dans le domaine industriel que domestique pour le chauffage et la production d'eau chaude mais aussi peur la climatisation et le réfrigération. REVENDICATIONS 1, Chaudière thermodynamique fonctionnant d'après un cycle à compression traditionnel, caractérisée en ce qu'elle comprend: - un compresseur à dilatation de liquide fonctionnant avec une source d'énergie pouvant-être le gaz, le fioul, l'électricité ou des rejets caloririques. - un évaporateur puisant l'énergie calorifique nécessaire à l'évaporation d'un fluide réfrigérant à l'intérieur même du système. 2. Chaudière thermodynamique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le fluide réfrigérant sera avantageusement du Bromotrifluorométhane. 3. Chaudière thermodynamique selon l'une des revendications précédantes, caractérisée en ce que le compresseur est muni de membranes se développant le long des pistons et des cylindres en assurant une étanchéité absolue entre les fluides. 4. Chaudière thermodynamique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que ie circuit de chauffage est utilisé d'une part, pour assurer le refroidissement des générateurs de pression et ensuite, pour apporter la chaleur de vaporisation du fluide réfrigérant. 5. Chaudière thermodynamique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle peut comporter plusieurs compresseurs afin d'augmenter sa puissance, tout en conservant deux générateurs de pression dont les caractéristiques seront adaptées au nombre de compresseurs.