Brevet FR2864212A1 — publié le 20050624

SYSTEME THERMODYNAMIQUE A EVAPORATION ETAGEE ET A SOUS REFROIDISSEMENT RENFORCE ADAPTE A DES MELANGES A GRAND GLISSEMENT DE TEMPERATURE L'invention est relative à un système thermodynamique à évaporation étagée et à sous refroidissement renforcé adapté à des mélanges à grand glissement de température Contexte Le Protocole de Montréal a amené à l'arrêt d'utilisation des CFC (Chlorofluorocarbures) et à l'arrêt progressif des HCFC (Hydrochlorofluorocarbures). Les HFC (Hydrofluorocarbures) sont des molécules de synthèse conçues pour remplacer les molécules chlorées visées par le Protocole de Montréal, mais beaucoup de ces HFC présentent un GWP (Global Warming Potential, Potentiel de réchauffement global) élevé, considéré comme un handicap pour l'utilisation à long terme de ces fluides frigorigènes. Le choix des fluides frigorigènes devient alors extrêmement restreint surtout si les fluides toxiques ou inflammables ne sont pas retenus pour des raisons de sécurité. Il est alors intéressant de développer des systèmes frigorifiques aptes à utiliser des mélanges à grand glissement de température lors du changement de phase isobare. Ces mélanges peuvent contenir des fluides comme le CO2r qui limitent l'inflammabilité de fluides à faible GWP qui peuvent être modérément inflammables comme le R-152a, le R-32 ou même certains hydrocarbures. Une utilisation directe de ces mélanges dans un système frigorifique ou une pompe à chaleur usuelle amène à des baisses d'efficacité énergétique inacceptables car les fluides extérieurs (air, eau ou eau glycolée) ne présentent pas eux-mêmes des glissements de température aussi grands que ces mélanges. La conséquence est que l'écart entre la température moyenne du changement de phase du mélange de fluides frigorigènes et la température moyenne du fluide extérieur s'accroît entraînant alors un accroissement de l'écart entre les pression d'évaporation et de condensation, ce qui a pour conséquence directe de diminuer l'efficacité énergétique du système frigorifique ou de la pompe à chaleur. Base de l'invention Le procédé et le système proposés visent à concevoir des modifications structurelles des systèmes frigorifiques ou des pompes à chaleur pour qu'ils soient adaptés au mélange de frigorigènes à grand glissement de température. Ces mélanges de fluides frigorigènes à grand glissement de température peuvent être utilisés pour un système frigorifique, pour une pompe à chaleur ou pour une machine inversable dite parfois réversible, produisant du froid pour le rafraîchissement ou de la chaleur pour le chauffage. L'invention concerne un système frigorifique ou de pompe à chaleur ou inversable destiné à permettre l'utilisation d'un mélange de fluides frigorigènes à glissement de température important. Le système comprend des moyens d'évaporation étagée comportant des moyens de séparation des phases vapeur et liquide après une première évaporation partielle. De préférence selon l'invention, le système est tel qu'il comprend un moyen de prélèvement du débit de masse liquide à haute pression après un condenseur et un moyen pour détendre ce débit prélevé dans un échangeur de sous-refroidissement. De préférence selon l'invention, le système est tel qu'il comporte un moyen sensible à la température du milieu extérieur pour que l'échangeur de sous-refroidissement constitue un condenseur final. De préférence selon l'invention, le système est tel qu'il utilise un mélange à grand glissement de température comme un mélange de CO2 / R152a dans les proportions massiques 20 % pour le CO2 et 80 % pour le R152a. Le concept consiste à produire, aussi bien en mode froid qu'en mode chaud, une évaporation étagée incluant une séparation des phases vapeur et liquide dans un séparateur après la première évaporation partielle. Ce dispositif permet aussi une maîtrise de la composition circulante dans l'installation. De plus, un prélèvement du débit masse liquide à la haute pression après le condenseur, détendu dans un échangeur de sousrefroidissement, permet d'améliorer l'efficacité énergétique du système toujours dans le souci de limiter les irréversibilités associées aux grands glissements de température de certains mélanges de fluides frigorigènes. Cet échangeur de sous-refroidissement peut aussi servir de condenseur final, selon la température du milieu extérieur. Une description détaillée permet de mieux comprendre l'intérêt du procédé et du système. Les fonctionnements en mode frigorifique et en mode chauffage sont présentés successivement à l'aide de la figure 1 (mode frigorifique) et du diagramme thermodynamique T-s représenté figure 2, puis à l'aide de la figure 3 (mode chauffage) et du diagramme thermodynamique T-s représenté figure 4. Pour des facilités de représentation et de compréhension, le système de compression est représenté par deux compresseurs (1) et (3) qui peuvent être soit effectivement deux compresseurs séparés, soit un seul compresseur comprenant une aspiration basse pression et une aspiration complémentaire à une pression intermédiaire. Ce type de compresseur à deux aspirations étagées est disponible aussi bien pour les technologies de compression à spirale qu'à vis. De même les échangeurs (5) et (6) d'une part et (18), (25) d'autre part qui peuvent être soit des échangeurs séparés fonctionnant en série, soit le même échangeur doté des circuitages adéquats. Le système est décrit pour une machine inversable fonctionnant l'hiver en pompe à chaleur, l'été en machine frigorifique, ce qui implique que les échangeurs (18) et (25) fonctionnent comme évaporateurs en mode froid, et comme condenseurs en mode chaud. Inversement les échangeurs (5) et (6) fonctionnent en condenseurs en mode froid et en évaporateurs en mode chaud. Lorsque ces systèmes thermodynamiques sont installés pour le chauffage et le rafraîchissement de bâtiments tertiaires ou résidentiels ou de maisons individuelles, les échangeurs (18) et (25) prennent le nom d'unité intérieure et les échangeurs (5) et (6) d'unité extérieure. Description du fonctionnement en mode frigorifique Les échangeurs (18) et (25) fonctionnent comme des évaporateurs. Le mélange de fluides frigorigènes à l'aspiration du compresseur (1) au point (26) est en état de vapeur saturante ou légèrement surchauffée comme indiqué figure 2. C'est le débit m4 en provenance de l'évaporateur (25) qui est ainsi aspiré. Ce débit m4 comprimé par le compresseur (1) est mélangé au point 2 avec deux débits m2 et m5. m5 est un débit vapeur provenant du séparateur (20), son état en (21) est en vapeur saturante à la pression intermédiaire comme indiqué figure 2. m2 est un débit soit vapeur, soit diphasique, représenté figure 2 par le point (15) en état diphasique et provenant de l'échangeur de sous- refroidissement (8). La somme des débits m4, m2 et m5 reconstitue le débit total ml qui est aspiré et comprimé à la haute pression par le deuxième compresseur (3). Ce débit ml du mélange de fluides frigorigènes est à l'état vapeur surchauffée au point 4, comme indiqué dans le diagramme T-s de la figure 2. Ce débit ml est condensé, soit totalement, soit partiellement, dans les échangeurs (5) et (6) de l'unité extérieure qui fonctionnent alors en condenseurs. L'état de sortie du débit ml au point 7 peut être soit diphasique comme représenté figure 2, soit à l'état saturant liquide sur la courbe de saturation. Ce débit ml partiellement ou totalement condensé va soit achever sa condensation, soit se sous-refroidir dans l'échangeur de sous- refroidissement (8) (qui pourrait aussi s'appeler condenseur final si la condensation n'est pas achevée) et sortir en état saturant ou sous- refroidi au point 9 représenté en état sous-refroidi à la figure 2. Le débit ml liquide va se stocker partiellement dans le réservoir haute pression (10). Le point de sortie liquide (11) est dans le même état thermodynamique que le point (9). Au point (12), le débit ml se sépare entre un débit m2 et un débit m3. Le débit m2 est détendu par le détendeur (13), ce débit détendu au point (14) est diphasique comme représenté figure 2. Il permet par son évaporation de refroidir le débit principal ml dans l'échangeur (8). Le débit m2 sortira de cet échangeur soit en état diphasique point (15) figure 2, soit en état saturant vapeur, soit même en état vapeur surchauffée pour être mélangé au point (2) avec les débits m5 et m4. Le débit complémentaire m3, qui s'est séparé de m2 au point 12, constitue le débit majoritaire. Ce débit m3 qui va être détendu à la pression intermédiaire par le détendeur (16), sera en état diphasique au point (17) à la sortie de ce détendeur comme représenté figure 2, et s'évaporera de manière partielle dans l'échangeur (18) de l'unité intérieure fonctionnant donc comme évaporateur. A la sortie (19) de cet évaporateur, et c'est un point fondamental du procédé, le débit m3 est à l'état diphasique. Le débit m3 diphasique va être séparé dans le séparateur (20) entre un débit vapeur m5, qui sera réintégré au point (2) à la pression intermédiaire, et un débit liquide m4 en état saturant au point (22) de la figure 2, qui va être détendu par le détendeur (23) à la plus basse pression du système en entrant en état diphasique au point (24) dans l'échangeur (25). Ce débit m4 s'évapore dans l'échangeur (25) de l'unité intérieure qui fonctionne ici comme évaporateur. En sortir de cet échangeur, nous retrouvons le point (26) à l'aspiration du compresseur (1) rebouclant ainsi le cycle de fonctionnement. Comme l'indique le diagramme T-s de la figure 2, le système permet une évaporation étagée de (17) à (19) d'une part et de (24) à (26) d'autre part, ce qui limite les irréversibilités d'échange par minimisation de l'écart de température entre le mélange de fluides frigorigènes et le médium extérieur, ici l'eau. Ceci d'autant que le séparateur (20) par séparation du débit m5 riche en composants les plus volatils et du débit m4, enrichi en composants les plus lourds minimise le glissement de température dans l'échangeur (25). Les réglages des détendeurs (16) et (23) ajustent les débits respectivement m3 dans l'échangeur (18) et m4 dans l'échangeur (25) ce qui permet l'ajustement des puissances frigorifiques mais aussi des compositions. En effet si le détendeur 16 est relativement fermé, ceci entraîne l'accroissement du stockage du mélange de fluide frigorigène dans le réservoir (10). Ce stockage de phase liquide supplémentaire entraîne un enrichissement relatif en composants les plus volatils du débit m3. La fermeture relative du détendeur (23) entraîne aussi un effet identique par stockage supplémentaire dans le séparateur (20). Les effets sont inverses pour une ouverture relative de ces 2 détendeurs. Le détendeur (16), par son réglage propre, module aussi le titre vapeur en sortie de l'échangeur (18). Ce titre vapeur est en fait aussi le rapport du débit vapeur m5 sur le débit m3. En modulant ce rapport m5/m3, c'est à la fois la puissance frigorifique dans l'échangeur (18) qui est modulée comme indiqué précédemment, mais aussi la composition du mélange et donc indirectement le glissement de température. Cette modulation permet d'adapter la puissance frigorifique dans les échangeurs (18) et (25). Une logique de régulation utilisant les ouvertures et fermetures relatives de ces détendeurs (16) et (23) permet d'ajuster les débits et les compositions dans une certaine plage permettant d'obtenir une véritable puissance variable par modification des compositions. Plus la composition est élevée en composants les plus volatils, plus les deux pressions d'évaporation seront élevées et donc plus la puissance frigorifique du système le sera aussi pour un volume balayé de compresseur identique. Inversement, plus la composition est élevée en composants les moins volatils, moins la puissance frigorifique est grande, par baisse relative de la pression d'évaporation. Avec cette modulation de la composition, il est possible d'atteindre une adaptation de la puissance de plus ou moins 20 D'autre part, une partie m2 du débit haute pression 35 est prélevée pour achever la condensation ou produire un sous- refroidissement du débit total ml. La réduction de l'écart de température moyen entre le mélange de fluides frigorigènes et le médium extérieur ici l'air s'effectue à la haute pression soit par une condensation étagée, d'une part dans les échangeurs (5) et (6), soit par condensation totale en (5) et (6) et sous-refroidissement en (8) Description du fonctionnement en mode chauffage Les composants qui sont identiques à ceux présentés dans le fonctionnement en mode frigorifique gardent les mêmes numéros. Les nouveaux composants sont numérotés selon les premiers nombres disponibles. En mode chauffage, les échangeurs (5) et (6) de l'unité extérieure fonctionnent comme des évaporateurs. Le point (4) de la figure 3 qui était au refoulement du compresseur (3) devient le point d'aspiration du même compresseur (3) dans un état vapeur saturée comme représenté dans le diagramme T-s de la figure 4. Le débit aspiré ml0 par le compresseur (3), en état vapeur saturante au point (4) est comprimé à la pression intermédiaire où il rencontre les débits m7 et m9 au point (2). Il reconstitue ainsi le débit total m6 aspiré par le compresseur (1) et refoulé en état vapeur surchauffée au point (35) comme représenté figure 4. Ce débit total m6 va se désurchauffer, puis se condenser entièrement dans les échangeurs (25) et (18) de l'unité intérieure. Ces échangeurs fonctionnent alors comme condenseurs. L'état de sortie de l'échangeur (18) est identique aussi bien au point (12) que (36) et est représenté en saturation liquide au point (36) de la figure 4. Au point (12), le débit m6 est séparé en deux débits m7 et m8. m8 est stocké partiellement dans le réservoir (10) alors que m7 est détendu par le détendeur (13) et rentre en état diphasique au point (14) comme indiqué figure 4, à la pression intermédiaire, et permet d'effectuer un sous refroidissement poussé du débit m8 comme représenté au point (7) de la figure 4. Ce débit m7 représenté au point (15) de la figure 4 en état diphasique est réintégré au point (2) à la pression intermédiaire entre les compresseurs (3) et (1). Sur l'autre branche de l'échangeur (8), le débit m8 est sous-refroidi avant d'être détendu par le détendeur (27) à la pression intermédiaire comme indiqué figure 4 au point (28). Le mélange de fluides frigorigènes s'évapore partiellement dans l'échangeur (6) de l'unité extérieure qui fonctionne comme évaporateur partiel. Au point (29) , le débit m8 en état diphasique, comme représenté dans le diagramme T-s de la figure 4, pénètre dans le séparateur (30) où d'une part le débit vapeur m9 va être réintégré à la pression intermédiaire au point (2) dans un état saturant comme représenté au point (34) de la figure 4. Le débit liquide mlO sortant de ce séparateur (30) au point (31), saturant liquide comme représenté figure 4, va s'évaporer après détente dans le détendeur (32) et rentrer en état diphasique au point (33) comme représenté figure 4, où il va s'évaporer entièrement ou partiellement dans l'échangeur (5) de l'unité extérieure fonctionnant comme évaporateur. Si l'évaporation est complète on retrouve au point (4) un état saturant vapeur comme indiqué sur le diagramme T-s de la figure 4. En mode chauffage, le procédé est identique à celui du mode frigorifique, à savoir une évaporation étagée à une pression intermédiaire dans l'échangeur (6) de l'unité extérieure fonctionnant comme évaporateur partiel, le débit diphasique m8 sortant de cet échangeur est séparé en une phase liquide et une phase vapeur dans le séparateur (30). De là un débit liquide mlO et un débit vapeur m9 circulent de manière différenciée, mlO s'évaporant dans l'échangeur (5) à un niveau de pression inférieur et m9 étant réintégré à la pression intermédiaire au point (2). De même que pour le fonctionnement en machine frigorifique, mais avec un détendeur différent, le détendeur (27) permet par son réglage de moduler le titre vapeur en sortie de l'échangeur (6) et donc le rapport des débits m9/m8 ce qui permet un véritable contrôle de la puissance frigorifique et donc calorifique par le contrôle de ce rapport de débit. Ce rapport de débit a comme pour le mode frigorifique une conséquence directe sur la composition du mélange de fluides frigorigènes des débits m9 et m10. En mode chaud aussi on retrouve l'échangeur de sous-10 refroidissement poussé (8) où l'évaporation partielle ou totale du débit m7 permet de sous refroidir le débit principal m8. Les diagrammes T-s des figures 2 et 4 représentent des mélanges possibles à grand glissement de température, composé de R-152a/R-744 dans les compositions massiques 80/20. Ce mélange est un exemple typique de mélange à grand glissement de température, à faible GWP et où la présence du CO2 permet de limiter l'inflammabilité du R-152a. REVENDICATIONS 1. Système frigorifique ou de pompe à chaleur ou inversable destiné à permettre l'utilisation d'un mélange de fluides frigorigènes à glissement de température important; ledit système comprenant des moyens d'évaporation étagée comportant des moyens de séparation des phases vapeur et liquide après une première évaporation partielle. 2. Système selon la revendication 1; ledit système étant tel qu'il comprend un moyen de prélèvement du débit de masse liquide à haute pression après un condenseur et un moyen pour détendre ce débit prélevé dans un échangeur de sous-refroidissement. 3. Système selon la revendication 2; ledit système étant tel qu'il comporte un moyen sensible à la température du milieu extérieur pour que l'échangeur de sous-refroidissement constitue un condenseur final. 4. Système selon la revendication 1; ledit système étant tel qu'il utilise un mélange à grand glissement de température comme un mélange de CO2 / R-152a dans les proportions massiques 20 % pour le CO2 et 80 % pour le R-152a.