Brevet FR2666140A1 — publié le 19920228

- DESCRIPTION TECHNIOUE La présente invention concerne les pompes à chaleur. D'une façon plus précise, elle concerne les pompes à chaleur fontionnant selon un cycle de désorption-adsorption sur un matériau, par exemple des zéolithes. Dans une pompe à chaleur à désorption-adsorption, l'air de la source froide ("l'extérieur" généralement) circule dans un échangeur que nous appellerons évaporateur mais qui, comme nous le verrons, est utilisé en condenseur lors de la phase de régénération. Cet échangeur contient de l'eau liquide sous basse pression (quelques millimètres de mercure) qui s'évaporera en refroidissant l'air de la source froide. La vapeur d'eau se déplace via une vanne de régulation jusque dans le condenseur où elle se trouve adsorbée par un matériau pouvant avantageusement être des zéolithes, poudre argileuse dotée d'une grande surface spécifique et avide d'eau. La réaction d'adsorption est fortement exothermique: le condenseur cède à l'air de la source chaude (la pièce à réchauffer) l'énergie de liaison des molécules d'eau avec les zéolithes.Une fois toute l'eau évaporée, le cycle est fermé par la régénération: en chauffant les zéolithes, on apporte une énergie au moins égale à l'énergie de liaison des molécules d'eau avec les zéolithes, ce qui provoque la désorption de l'eau. La vapeur d'eau ainsi produite se déplace jusque dans ce qui était l'évaporateur pour y être recondensée. La pompe doit être optimisée pour une température de la source froide donnée puisque la pression régnant dans le circuit d'eau de l'évaporateur doit être proche de la tension de vapeur de l'eau à la température de la source froide. On comprendra aisément que l'inconvénient principal d'un tel dispositif réside dans le fait qu'à la différence des pompes à chaleur traditionnelles basées sur le cycle thermodynamique du fréon, les pompes à chaleur à zéolithes fonctionnent de manière discontinue, comme si le fréon reliquéfié par le compresseur de la pompe à chaleur classique était stocké avant d'être renvoyé dans l'évaporateur, phase durant laquelle le compresseur ne pourrait plus fonctionner. La solution qui consisterait à faire circuler l'air de la source chaude dans le condenseur (au 5 10 15 20 25 30 35 sujet duquel il convient de faire le même remarque de vocabulaire que pour l'évaporateur) au contact des zéolithes chauffées, afin que cette source chaude poursuive son réchauffement, même en phase de régénération.Cette solution qui reviendrait à utiliser le dispositif en radiateur électrique - présenterait cependant le grave inconvénient d'allonger la durée de régénération - a puissance dissipée dans les moyens de réchauffement constante - donc à retarder encore le moment où la pompe à chaleur fonctionnerait en mode normal. Enfin, en phase de régénération, les calories produites par la recondensation de l'eau ne servent qu'à chauffer l'air extérieur via l'évaporateur (rappelons que cette appellation d'évaporateur est ici purement conventionnelle, elle fait référence au mode de fonctionnement traditionnel des pompes à chaleur, hors régénération). En plus de ces problèmes inhérents au cycle thermodynamique lui-même, on déplore certains autres inconvénient propres aux pompes à chaleur en général, comme par exemple le recours à la ventilation forcée pour faire circuler l'air dans les échangeurs (source de bruit) et la présence d'un certain nombre de vannes (causes de pannes mécaniques). Les pompes à chaleur à zéolithes présentent finalement les inconvénients et impossibilités suivants: .mode de fonctionnement discontinu, .impossibilité de poursuivre le réchauffement de la source chaude durant la régénération, sauf à allonger le temps de régénération ou à augmenter la puissance consommée par les moyens de réchauffe, .perte de calories vers l'extérieur, la source froide, durant la phase de régénération, .fonctionnement non-silencieux du fait de la présence de ventilateurs, .usure mécanique des éléments mobiles. Le dispositif suivant l'invention permet d'éviter ces inconvénients et impossibilités car il maintient l'apport calorifique à la source chaude durant la régénération tout en se prévenant de la déperdition vers la source froide, simulant en fait quasiment un fonctionnement continu. I1 ne compte d'autre part aucun ventilateur et ne fait appel qu'à un nombre extrêmement réduit de pièces mécaniques en mouvement. L'invention concerne un dispositif de pompe à chaleur à zéolithes fonctionnant sur la base du cycle thermodynamique connu et muni d'un échangeur (4) dans lequel circule l'air de la source froide (2) en fonctionnement normal, et que nous appellerons de manière conventionnelle "évaporateur", d'un échangeur (3) dans lequel circule l'air de la source chaude (1) en fonctionnement normal, et que nous appellerons de manière conventionnelle "condenseur", de parois en matériau isolant (8) séparant les échangeurs des sources, d'une certaine quantité de matériau pouvant avantageusement être des zéolithes, et de moyens de régénération convenables, caractérisé en ce qu'il est en outre pourvu de moyens convenables permettant de modifier le parcours de l'air chaud et de l'air froid dans les échangeurs afin notamment de faire communiquer la source chaude (1) avec l'évaporateur (4). Suivant une autre caractéristique, les deux échangeurs à air (3) et (4) sont adjacents et séparés par une parois en matériau isolant (8). Suivant une autre caractéristique, l'air circule dans les échangeurs par convection naturelle: de haut en bas dans l'évaporateur (4), et de bas en haut dans le condenseur (3), en mode de fonctionnement normal, c'est-à-dire en dehors des phases de régénération. Suivant une autre caractéristique, les circuits de circulation de l'air dans les échangeurs sont des colonnes beaucoup plus hautes que larges dans lesquelles l'air acquiert une vitesse importante. Suivant une autre caractéristique, les moyens convenables permettant de modifier le parcours de l'air chaud et de l'air froid dans les échangeurs afin notamment de faire communiquer la source chaude (1) avec l'évaporateur (4) sont des clapets (5), (6) et (7). Suivant une autre caractéristique, à la mise en route des moyens de chauffage convenables pour régénérer la zéolithe, des clapets (6) isolent l'intérieur de l'évaporateur (4) de la source froide (2) et laissent l'air de la source chaude (1) y circuler librement. Suivant une autre caractéristique, les clapets (6) qui isolent l'intérieur de l'évaporateur (4) de la source froide (2) et les clapets (5) qui permettent de faire communiquer l'air de la source chaude (1) avec ce même évaporateur (4) sont reliés mécaniquement et sont donc mis en mouvement simultanément à l'aide d'une source d'énergie unique. Suivant une autre caractéristique, le dispositif comporte en outre des clapets (7) qui, lors de la phase de régénération des zéolithes, isolent le condenseur (3) du reste des conduits, échangeurs ou sources. Suivant une autre caractéristique, le dispositif est utilisé en climatiseur d'air, la source froide (2) étant constituée par le local à refroidir, et la source chaude (1) par le milieu extérieur. Suivant une autre caractéristique, la parois (9) séparant le condenseur de la source chaude est assez transparente au rayonnement solaire pour régénérer les zéolithes par simple effet de serre, sans nécessiter de chauffage annexe. Suivant une autre caractéristique, la parois (9) séparant le condenseur de la source chaude est en verre ou en matière plastique transparente, et la surface de l'échangeur peinte en noir. Les caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, référencée aux dessins annexés, dans lesquels: .la figure 1 représente une vue en coupe de la pompe à chaleur en fonctionnement normal, .la figure 2 représente une vue en coupe de la pompe à chaleur en phase de régénération, .la figure 3 représente une vue en coupe de la pompe à chaleur utilisée en climatiseur à régénération par effet de serre, et précisément en phase de régénération. Les figures en annexe et la description qui va suivre sont données à titre purement indicatif, elles ne sont en aucun cas limitatives et n'enlèvent donc rien à la généralité de l'invention. La pompe à chaleur est constituée de trois circuits indépendants les uns des autres: .le circuit d'eau interne qui va suivre le cycle thermodynamique déjà évoqué: évaporation dans l'évaporateur (4), transfert à travers une vanne de régulation, adsorption dans le condenseur (3), puis désorption, suivie du transfert dans l'évaporateur (4) et condensation. l'air extérieur de la source froide (2) qui pénètre dans l'évaporateur (4) par le haut, descend dans l'échangeur au fur et à mesure qu'il se refroidit, et ressort par le bas. l'air intérieur de la source chaude (1) qui pénètre dans le condenseur (3) par le bas, monte dans l'échangeur au fur et à mesure qu'il se réchauffe, et ressort par le haut. En situation de fonctionnement normal, les clapets (5) de communication entre les deux échangeurs sont fermés, les clapets (6) de communication avec la source froide (2) sont fermés, et les clapets (7) de communication avec le condenseur (3) sont ouverts. En situation de régénération, des moyens convenables permettent de réchauffer les zéolithes et de désorber l'eau qu'elles contiennent. De la position des clapets (5), (6) et (7) vont déprendre le rendement du cycle thermodynamique et les conditions d'utilisation en régénération. Si nous parvenions à maintenir l'apport de chaleur à la source chaude au cours de la régénération, nous rendrions continu le fonctionnement de la pompe à chaleur pour un observateur situé à l'intérieur de la pièce à réchauffer. Le mécanisme de régénération des zéolithes produit de l'énergie calorifique, et cela de deux façons: de façon directe dans les zéolithes, donc par conduction thermique dans l'air qui circule au contact de ces zéolithes (condenseur), et de façon indirecte dans l'évaporateur (il s'agit toujours de l'échangeur situé du côté de la source froide, utilisé en condenseur lors de la régénération, mais généralement voué à l'évaporation, raison pour laquelle nous l'appellerons dans tous les cas évaporateur) où la vapeur d'eau cède à l'air présent dans l'échangeur sa chaleur latente de vaporisation.Exploiter la première source de chaleur afin de faire fonctionner la pompe à chaleur de façon pseudo-continue revient à utiliser le condenseur (3) en radiateur, mais revient aussi comme nous l'avons vu à consommer davantage d'énergie, c'est-à-dire ou bien à allonger le temps de régénération (à puissance de réchauffe constante) ou bien à nécessiter davantage de puissance (à durée constante). Reste donc la production de calories qui a pour origine le retour en phase liquide de l'eau dans l'évaporateur (4). L'idée consiste à réintroduire dans la source chaude (1) les calories libérées dans l'évaporateur (4). D'un point de vue pratique, cela nécessite de faire passer l'air de la source chaude (1) dans l'échangeur situé du côté extérieur. On y parvient en ouvrant les clapets (5) comme indiqué sur la figure (2).Les clapets (5) et (6) peuvent avantageusement être reliés mécaniquement puisque l'un doit être ouvert quand l'autre est fermé. Nous nous prévenons par ailleurs des risques de chute du rendement de régénération en fermant les clapets (7). Dans cette configuration, l'air de la source froide (2) ne pénètre pas dans la pompe à chaleur, l'air de la source chaude (1) pénètre dans l'évaporateur où il est chauffé, et le condenseur est isolé de l'extérieur.Ainsi, pour un utilisateur situé à l'intérieur de la source chaude (1), la pompe à chaleur à zéolithes se conduit de façon pseudo-continue, produisant constamment de la chaleur, même si durant la phase de régénération, le principe de fonctionnement n'a rien à voir avec celui d'une pompe à chaleur. I1 ne s'apparente pas non plus à celui d'un radiateur puisque la chaleur extraite a comme origine une chaleur latente de vaporisation. Cette solution technologique n'est possible en pratique qu'à condition d'adopter une disposition des échangeurs qui s'y prête, c'est-à-dire à condition que les échangeurs soient très proches l'un de l'autre, simplement séparés par une paroi en matériau isolant (8). Les deux échangeurs adjacents seront dimensionnés de préférence de telle sorte qu'à surface d'échange donnée, le flux thermique soit maximum. Dans l'hypothèse où le régime d'écoulement est turbulent (c'est-à-dire que la vitesse sur les bords de la veine est non nulle), le flux de chaleur échangé entre un gaz et une parois est fonction de la racine carrée de la vitesse du gaz. On aura donc intérêt à choisir une vitesse d'écoulement importante, c'est-à-dire une faible section pour un débit donné. C'est pourquoi le dispositif suivant l'invention pourra de façon avantageuse se présenter sous forme d'une colonne beaucoup plus haute que large. Les moyens de régénération des zéolithes sont variés: résistance électrique, micro-ondes ou hautes fréquences. On peut cependant, lorsque la pompe à chaleur est utilisée en climatiseur, procéder à la désorption de l'eau sans consommation d'énergie, ou plus précisément en utilisant la seule source d'énergie inépuisable et gratuite: l'énergie solaire. Le fonctionnement en climatiseur est basé strictement sur le même cycle thermodynamique, la source chaude (1) étant simplement maintenant le milieu extérieur et la source froide (2) constituant l'espace à refroidir. Si nous remplaçons maintenant la paroi (9) qui sépare le condenseur (3) de la source chaude (1) normalement constituée de matériau isolant (8) par une vitre, les clapets (7) étant fermés, nous enfermons dans le condenseur de l'air qui va être chauffé par le soleil par effet de serre (figure 3).Pour peu que l'air enfermé atteigne une température suffisante (autour de 800C), l'eau commence à se désorber. On a ainsi réalisé un climatiseur d'air autonome ne consommant pas d'énergie autre que celle, dérisoire, nécessaire pour animer les clapets (5), (6) et (7), inusable, fiable, et pouvant être produit pour un coût de production extrêmement faible. Il est a noter que le fonctionnement en climatiseur n'est pas strictement symétrique au fonctionnement en pompe à chaleur puisque nous sommes dans l'impossibilité de produire du froid durant la régénération des zéolithes, alors que nous pouvions produire du chaud avec la pompe à chaleur durant cette même régénération. La pompe à chaleur telle qu'elle a été décrite ci-dessus joui des même avantages, (en plus des solutions qu'elle apporte aux inconvénients traditionnels des pompes à chaleur à zéolithes) à savoir une très grande fiabilité, une grande simplicité mécanique, et une possibilité de production en série à très bas prix. - REVENDICATIONS 1. Dispositif de pompe à chaleur à désorption-adsorption fonctionnant sur la base du cycle thermodynamique connu et muni d'un échangeur (4) dans lequel circule l'air de la source froide (2) en fonctionnement normal, et que nous appellerons de manière conventionnelle "évaporateur", d'un échangeur (3) dans lequel circule l'air de la source chaude (1) en fonctionnement normal, et que nous appellerons de manière conventionnelle "condenseur", de parois en matériau isolant (8) séparant les échangeurs des sources, d'une certaine quantité de matériau pouvant avantageusement être des zéolithes, et de moyens de régénération convenables, caractérisé en ce qu'il est en outre pourvu de moyens convenables permettant de modifier le parcours de l'air chaud et de l'air froid dans les échangeurs afin notamment de faire communiquer la source chaude (1) avec l'évaporateur (4). 2. Dispositif de pompe à chaleur à désorption-adsorption suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les deux échangeurs à air (3) et (4) sont adjacents et séparés par une parois en matériau isolant (8). 3. Dispositif de pompe à chaleur à désorption-adsorption suivant la revendication 2 caractérisé en ce que l'air circule dans les échangeurs par convection naturelle: de haut en bas dans l'évaporateur (4), et de bas en haut dans le condenseur (3), en mode de fonctionnement normal, c'est-à-dire en dehors des phases de régénération. 4. Dispositif de pompe à chaleur à désorption-adsorption suivant les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que les circuits de circulation de l'air dans les échangeurs sont des colonnes beaucoup plus hautes que larges dans lesquelles l'air acquiert une vitesse importante. 5. Dispositif de pompe à chaleur à désorption-adsorption suivant les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que les moyens convenables permettant de modifier le parcours de l'air chaud et de l'air froid dans les échangeurs afin notamment de faire communiquer la source chaude (1) avec l'évaporateur (4) sont des clapets (5), (6) et (7). 6. Dispositif de pompe à chaleur à désorption-adsorption suivant les revendications 1, 2, 3 et 5 caractérisé en ce qu'à la mise en route des moyens de chauffage convenables pour régénérer la zéolithe, des clapets (6) isolent l'intérieur de l'évaporateur (4) de la source froide (2) et laissent l'air de la source chaude (1) y circuler librement. 7. Dispositif de pompe à chaleur à désorption-adsorption suivant les revendications 1, 2, 3, 5 et 6 caractérisé en ce que les clapets (6) qui isolent l'intérieur de l'évaporateur (4) de la source froide (2) et les clapets (5) qui permettent de faire communiquer l'air de la source chaude (1) avec ce même évaporateur (4) sont reliés mécaniquement et sont donc mis en mouvement simultanément à l'aide d'une source d'énergie unique. 8. Dispositif de pompe à chaleur à désorption-adsorption suivant les revendications 1, 2, 3, 5 et 6 caractérisé en ce qu'il comporte en outre des clapets (7) qui, lors de la phase de régénération des zéolithes, isolent le condenseur (3) du reste des conduits, échangeurs ou sources. 9. Dispositif de pompe à chaleur à désorption-adsorption suivant les revendications 1, 2, 3, 5 et 6 caractérisé en ce qu'il est utilisé en climatiseur d'air, la source froide (2) étant constituée par le local à refroidir, et la source chaude (1) par le milieu extérieur. 10. Dispositif de pompe à chaleur à désorption-adsorption suivant les revendications 1, 2, 3, 6, 8 et 9 caractérisé en ce que la parois (9) séparant le condenseur de la source chaude est assez transparente au rayonnement solaire pour régénérer les zéolithes par simple effet de serre, sans nécessiter de chauffage annexe. 11. Dispositif de pompe à chaleur à désorption-adsorption suivant les revendications 1, 2, 3, 5, 6, 8, 9 et 10 caractérisé en ce que la parois (9) séparant le condenseur de la source chaude est en verre ou en matière plastique transparente, et la surface de l'échangeur peinte en noir.