Brevet FR2715716A1 — publié le 19950804

L'invention a pour objet un dispositif de production de froid économiseur d'énergie autonome ou intégrable dans le circuit des machines frigorifiques à compression à absorption, chimiques ou à adsorption. On connaît déjà des installations de production de froid ou de chaleur utilisant des cycles frigorifiques à compression ou à absorption, destinées par exemple à la climatisation ou au chauffage de locaux, ou encore au refroidissement de denrées. On connaît également des systèmes économiseurs d'énergie en climatisation faisant appel à l'utilisation directe ou indirecte de l'air extérieur en hiver. Ces systèmes présentent cependant un certain nombre d'inconvénients comme l'introduction dans les locaux d'air sec qu'il faudra humidifier, ce qui amène des consommations d'énergie supplémentaires et la nécessité de disposer de conduits d'amenée d'air de grandes dimensions, ou encore d'un système annexe de transfert de chaleur indépendant du circuit frigorifique, donc encombrant et coûteux. Par ailleurs, les systèmes frigorifiques classiques à compression ne peuvent pas fonctionner dans de bonnes conditions en hiver lorsque l'air extérieur est trop froid, car les organes de régulation comme le détendeur n'arrivent plus à alimenter l'évaporateur, ce qui oblige à élever artificiellement la température de condensation du fluide frigorigène augmentant ainsi la consommation d'énergie du compresseur. De telles installations ne sont pas satisfaisantes car elles compliquent la gestion du système et conduisent à des consommations annexes plus élevées, tout en augmentant de façon importante le prix du système. C'est d'une manière générale un but de l'invention de foumir une installation qui ne présente pas les inconvénients rappelés ci-dessus des installations connues. C'est en particulier un but de l'invention de fournir une installation frigorifique comportant un dispositif économiseur utilisant les mêmes échangeurs (évaporateur et condenseur) que ceux utilisés dans le cycle frigorifique normal. La circulation du fluide frigorigène s'effectue en cycle normal par l'intermédiaire du compresseur (pour les systèmes à compression), ou par l'intermédiaire du couple absorbeurlgénérateur (pour les systèmes à absorption); en cycle économiseur, en hiver lorsque la température extérieure est suffisamment basse, la circulation du fluide entre le condenseur et l'évaporateur se fait par l'intermédiaire d'une pompe à liquide, ou par gravité. Ce type de conception permet d'économiser de l'ordre de 40% des consommations d'énergie des installations de climatisation fonctionnant toute l'année, en diminuant les consommations dues à la ventilation et à l'humidification, et en supprimant celle due au compresseur. C'est encore un but de l'invention de fournir un système économiseur d'énergie dont le fluide de travail est le même que celui utilisé en cycle normal. C'est toujours un but de l'invention de proposer que la circulation du fluide de travail en cycle économiseur, soit assurée soit par pompe, soit de façon gravitaire. C'est encore un but de l'invention de proposer un dispositif économiseur permettant une régulation sensible des transferts thermiques. L'invention sera bien comprise par la description qui suit faite à titre d'exemple et en référence aux dessins annexés dans lequel: La figure 1 est un schéma d'une installation selon l'invention La figure 2 est une variante du système économiseur pour les installations équipées d'un détendeur électronique. La figure 3 est une variante de la figure 2. La figure 4 est une variante de la figure 1. La figure 5 est une autre variante où la circulation du liquide est gravitaire. La figure 6 est une variante du dispositif de court circuitage du compresseur. La figure 7 est un schéma d'une installation selon l'invention pour les machines à absorption. Un dispositif économiseur d'énergie selon l'invention, figure 1, s'intègre dans un système frigorifique traditionnel comportant un compresseur (1), un évaporateur (5), un condenseur (2), un détendeur (4), deux cycles de fonctionnement sont possibles: le cycle normal et le cycle économiseur. La figure représente un système de type air/air mais le système s'adapte aussi bien à des systèmes de type air/eau ou eau/eau ou encore eau/air. Le cycle normal est utilisé lorsque la température du milieu à refroidir est inférieure ou proche de celle du milieu où la chaleur est évacuée, rien ne le distingue donc du cycle classique des machines frigorifiques: le compresseur (1) refoule des gaz dans le condenseur (2), le liquide formé se dirige vers le réservoir (3) puis passe par le clapet (8) avant d'être détendu dans le détendeur (4), le liquide s'évapore dans l'évaporateur (5) où il produit du froid, les vapeurs sont alors aspirées par le compresseur pour former un nouveau cycle. Le cycle économiseur est utilisé lorsque la température du milieu à refroidir est supérieure à celle du milieu où la chaleur est évacuée. La pompe (6) aspire le liquide dans le réservoir (3) puis par l'intermédiaire de la vanne (7) (de type électromagnétique ou motorisée) il se dirige vers l'évaporateur (5) où il se vaporise en refroidissant le milieu intérieur de (AR) à (AS), la vapeur formée passe par le clapet de retenue (12) pour se diriger vers le condenseur où elle se condense en cédant sa chaleur au milieu extérieur de (AE) à (R) avant de retourner vers le réservoir (3). A titre d'exemple, pour une température extérieure de 5"C et un local à climatiser à 25"C, la température d'ébullition et de condensation du fluide frigorigène sera de l'ordre de 15"C, les seules consommations d'énergie seront (dans le cas d'un système de type air/air) celles des ventilateurs (28) et (26), ainsi que celle de la pompe (6), cette dernière consommant environ 30 fois moins que le compresseur pour la même production de froid. On pourra envisager également de faire fonctionner simultanément la pompe (6) et le compresseur (1) lors de périodes intermédiaires (par exemple à 15"C extérieur pour 25"C intérieur, la puissance transférée par le circuit économiseur étant plus faible, et la température extérieure étant trop basse pour permettre à l'installation frigorifique de fonctionner normalement). Les organes classiques tels que les robinets et raccords (13 à 22) ainsi que déshydrateur (10), voyant liquide (11), pressostat (30) et (31), peuvent bien sûr s'intégrer dans le circuit. Afin d'éviter des risques d'entraînement de liquide vers le compresseur (en cycle économiseur), deux sondes de température (23) et (24) contrôlent la surchauffe des vapeurs sortant de l'évaporateur (5) et agissent sur le fonctionnement de la pompe (6). La sonde de pression (31) peut aussi jouer le rôle de la sonde de température (23). La régulation de la pompe adapte son fonctionnement au débit de liquide vaporisable dans l'évaporateur, en agissant sur l'ouverture et la fermeture de la vanne (7), ou en agissant sur la vitesse de rotation de la pompe par variation de sa fréquence d'alimentation par exemple. La pompe (6) sera de préférence de type hermétique (à entraînement magnétique par exemple). La pompe (6) pourra également être installée à l'intérieur même du réservoir de liquide (3) afin d'éviter tout risque de désamorçage ou de cavitation. La figure 2 représente une variante de l'invention dans laquelle l'injection dans l'évaporateur est régulée par un détendeur électronique (40) que l'installation fonctionne en cycle normal ou en cycle économiseur. Dans ce cas il est prévu un clapet (41) ou un autre moyen de court circuitage de la pompe en cycle normal, cette dernière étant à l'arrêt. La figure 3 est une variante de la figure 2 pour le cas où à l'arrêt le type de pompe installé autorise le passage du liquide (pompe centrifuge notamment). Dans ce cas le moyen de court circuitage de la pompe est inutile. La figure 4 est une variante de la figure 1 pour les évaporateurs comportant un distributeur de liquide (45), dans ce cas, en cycle économiseur, le liquide pulsé par la pompe (6) passe par la vanne (43) pour être injecté après le restricteur qui équipe généralement les distributeurs de liquide. En cycle normal, le liquide provenant de la bouteille (3) passe par le clapet (44), puis par le détendeur (42). La vanne (43) et le clapet (44) peuvent être remplacés par une vanne trois voies, ce qui serait encore un autre moyen de réguler l'injection de liquide en cycle économiseur par ré-aspiration partielle par la pompe (6) du liquide refoulé. La figure 5 représente une autre variante, sans pompe, en cycle économiseur la vanne (43) est alors ouverte et le liquide circule par gravité. Cette configuration impose que le condenseur soit placé au-dessus de l'évaporateur pour que la circulation puisse s'effectuer. Là encore, les sondes (23) et (24) contrôlent l'alimentation en liquide de l'évaporateur par action sur la vanne (43). La figure 6 est une variante concernant le moyen de court circuitage du compresseur en cycle économiseur. Une vanne (46) de type motorisée ou électromagnétique par exemple assure cette fonction. La figure (7) représente un schéma de principe d'une installation selon l'invention, appliquée aux machines à absorption ou encore aux machines de froid chimique et à adsorption. Le principe de fonctionnement du dispositif est identique à celui des systèmes à compression. Un dispositif (54) permet le court circuitage du générateur (G) et de l'absorbeur (A), lorsque la température de la source du condenseur (50) est inférieure à celle de la source de l'évaporateur (51). Le liquide frigorigène condensé dans le condenseur (50) alimente l'évaporateur (51) par l'intermédiaire de la ligne liquide (52) soit par gravité, soit par pompe suivant une disposition similaire à celles présentées dans les figures 1 à 5. Le clapet (54) peut également être remplacé par une vanne tel décrit pour la figure 6. L'intérêt du système est là encore l'économie d'énergie qui permet un fonctionnement moins fréquent du moyen de chauffage (55) du générateur (G). L'invention n'est pas limitée aux machines frigorifiques, elle trouve son application également dans les systèmes de récupération de chaleur ou de froid, dans ce cas seul le cycle économiseur existe et les moyens de détente et de court circuitage deviennent inutiles en raison de l'absence de compresseur ou de générateur. L'application principale de l'invention se situe dans les climatiseurs de type à éléments séparés appelés communément "split-system", notamment pour le conditionnement d'air des locaux informatiques, centraux téléphoniques, locaux commerciaux, et d'une manière générale les applications possédant une demande de froid en période d'hiver. L'invention est également applicable aux climatiseurs de type monoblocs et notamment les climatiseurs installés en toiture. II est possible d'utiliser l'invention dans les centrales de production d'eau glacée à condensation par eau ou par air ainsi que dans les systèmes de refroidissement d'air à condensation à eau ou à air. L'invention n'est pas limitée aux systèmes à compression, elle trouve en effet son application dans les machines à absorption (eau/bromure de lithium ou NH3/eau par exemple), et encore dans les machines frigorifiques à réaction chimique et à adsorption. REVENDICATIONS 1. Dispositif de production de froid économiseur d'énergie, autonome ou intégrable dans le circuit des machines frigorifiques à compression, à absorption, chimiques, ou à adsorption, caractérisé en ce qu'il comprend les moyens de circulation du fluide frigorigène liquide entre le condenseur et l'évaporateur, et les moyens de passage du gaz entre l'évaporateur et le condenseur. 2. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que la circulation du fluide frigorigène liquide entre le condenseur et l'évaporateur s'effectue par pompe. 3. Installation selon la revendication 2 caractérisée en ce que la pompe est du type hermétique et ou à entraînement magnétique. 4. Installation selon la revendication 2 caractérisée en ce que la pompe est placée à l'intérieur du réservoir de liquide. 5. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le débit de liquide est régulable au moyen d'une sonde de température (24). 6. Installation selon les revendications 2 et 5 caractérisée en ce que la pompe est entraînée par un moteur à fréquence variable. 7. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que la circulation du liquide est gravitaire. 8. Installation selon les revendications 2 ou 7 caractérisée en ce que la circulation du liquide est mise à l'arrêt par une vanne électromagnétique ou motorisée (7) (43). 9. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le détendeur (4) (40) (42) est de type électronique. 10. Installation selon les revendications 2 et 5 caractérisée en ce que le débit de la pompe est régulé par une vanne restreignant le refoulement ou court circuitant le refoulement et l'aspiration de la pompe. 11. Installation selon la revendication 1 caractérisée en ce que le passage du gaz entre l'évaporateur et le condenseur est commandé par un clapet (12) (54) ou une vanne (46).