Brevet FR3033631A1 — publié le 20160916

Domaine technique : La présente invention concerne un dispositif thermodynamique de transfert de chaleur par compression de vapeur (mono ou multiétagé) et changement de phase, réversible, à haut rendement. Son procédé permet de fonctionner de manière réversible, tout en gardant un rendement énergétique optimum même sous de forts écarts de température entre ses sources. Il est particulièrement adapté pour des applications réversible à fort taux de compression, tel que refroidisseur à très basse température (côté froid utile) et/ou tel que pompe à chaleur à haute température (côté chaud utile) Etat de la technique : Les systèmes thermodynamiques de transfert de chaleur sont plus communément appelés refroidisseur ou pompe à chaleur. Il s'agit en fait de la même machine, seul le côté intéressant pour l'utilisateur diffère. Certains systèmes thermodynamiques sont même réversibles, c'est-à-dire qu'ils sont capables de produire un effet de réchauffement ou de refroidissement du côté qui intéresse l'usager. Les pompes à chaleur réversibles sont utilisées depuis longtemps pour réchauffer ou refroidir des liquides ou des gaz en milieu industriel, résidentiel, ou commercial. Le principe de base des pompes à chaleur à compression de gaz avec changement de phase est d'extraire l'énergie de l'air extérieur (ou toute autre source froide, telle que l'eau) pour la restituer à l'air ambiant d'une habitation via, par exemple, le réseau hydraulique de chauffage. Ce transfert d'énergie de l'air extérieur (source froide) vers l'ambiance de l'habitation (source chaude, c'est-à-dire un milieu à température supérieure à celle de la source froide qui est, en fait, la source de chaleur ; on devrait donc plutôt parler de puits de chaleur ou de puits chauds) est rendu possible grâce au travail d'un compresseur, celui-ci étant couplé classiquement à trois autres composants qui sont : le condenseur, le détendeur et l'évaporateur à détente directe. L'amplitude du cycle frigorifique s'y rapportant dans le diagramme enthalpique dépend essentiellement des pressions d'évaporation et de condensation en lien avec la température de la source froide (évaporation, côté basse pression) et la température de l'eau du réseau de chauffage (condensation, côté haute pression). A noter que la chaleur fournie à l'habitation Qc est la somme de l'énergie extraite à l'air extérieur Qf et d'une partie de l'énergie W fournie au compresseur, celle-ci dépendant de son rendement global. La performance du système est définie par le COP (coefficient de performance de l'ensemble du système) qui est le rapport entre la chaleur fournie à l'habitation et l'énergie fournie au compresseur. Il est exprimé en Watt/Watt. En été, le cycle de la pompe à chaleur est inversé, le transfert d'énergie qu'elle réalise se fera de l'air de l'ambiance de l'habitation (source froide) vers l'extérieur (source chaude, c'est-à-dire le milieu à température supérieure à celle de la source froide) : on parle alors de réfrigération ou de refroidissement ou de climatisation de 3033631 2 l'habitation. Le cycle est le même, seul son sens a changé. Pour la suite nous ne parlerons que de chauffage puisque le cycle est le même. On rappellera également que pour un mélange cliphasique (gaz liquide), il existe une relation entre la pression et la température. 5 Par ailleurs, les échanges de chaleur dans l'évaporateur et le condenseur se faisant d'une manière irréversible, c'est-à-dire en nécessitant des différences de température, il en résulte que : o la température effective d'évaporation de fluide frigorigène doit être inférieure à la température du milieu à refroidir. 10 o la température effective de condensation de fluide frigorigène circulant du côté du condenseur doit être supérieure à la température du fluide de refroidissement (air, eau) de la source chaude. La différence entre ces températures s'appelle le pincement des échangeurs. Il est lié aux coefficients et surface d'échange des évaporateurs et condenseurs. Plus cet écart 15 est faible plus la performance du système thermodynamique est élevé L'un des inconvénients de ces systèmes concerne la diminution de leur puissance et de leur performance lorsque la température de la source froide (température extérieure par exemple) diminue et/ou lorsque la température de la source chaude (eau d'un circuit de chauffage par exemple) augmente. Les principales raisons de ces chutes de 20 puissance et de performance sont liées à la diminution : o de la densité du gaz à l'aspiration du compresseur côté basse pression. o de la chaleur latente de condensation côté haute pression. o du rendement isentropique et volumétrique du compresseur lorsque les taux de compression augmentent. 25 En effet, la température extérieure et la pression d'évaporation étant couplées, la diminution de la température extérieure entraîne une diminution de la densité du gaz aspiré par le compresseur provoquant une réduction du débit massique et de la puissance du système. Le travail du compresseur ne variant que très peu (augmentation du travail unitaire mais réduction du débit massique), le COP du système va diminuer. 30 Lorsque la température d'eau augmente, deux phénomènes provoquent la réduction du COP et de la puissance du système. D'une part, la pression de condensation augmentant avec la température, le travail que doit fournir le compresseur est plus important pour un même débit. D'autre part, la chaleur latente (largeur de la courbe de 3033631 3 saturation sur le diagramme enthalpique) diminuant avec l'augmentation de la pression, la puissance du système va également diminuer. Ce dernier phénomène restant néanmoins plus ou moins important en fonction du niveau où l'on se situe sur la courbe de saturation et de la nature du gaz utilisé. 5 On peut ajouter un autre phénomène impactant la puissance et le COP du système. L'augmentation du taux de compression entraîne une augmentation des contraintes mécaniques dans le compresseur provoquant une augmentation des irréversibilités, favorisant les fuites internes et augmentant l'impact des volumes morts. Concrètement, il apparaît une dégradation importante du rendement isentropique et 10 volumétrique du compresseur lorsque le taux de compression augmente au-delà de 3.5 avec pour conséquence une augmentation du travail du compresseur par rapport au travail théorique et une réduction de son débit de réfrigérant. Un autre inconvénient de ces systèmes concerne leurs limites de fonctionnement liées essentiellement à la température des gaz de refoulement. Cette température ne doit 15 pas dépasser 120 à 140 °C et est en pratique limitée entre 110 à 115°C en raison des problématiques qu'elle pose sur les huiles utilisées dans les compresseurs (baisse de la viscosité, dégradation). La température de refoulement du compresseur dépend et augmente en fonction de plusieurs paramètres qui sont le coefficient polytropique, le taux de compression et la température d'aspiration. En pratique en fonction du taux de 20 compression et des réfrigérants utilisés, cette température est de 15 à 50 °C au dessus de la température de condensation. Ainsi une température de condensation de 65°C ne sera pas possible au-delà d'un certain taux de compression et donc jusqu'à une certaine température extérieure (dépendant du réfrigérant et du compresseur). On peut regrouper les pompes à chaleur en trois grandes catégories en fonction 25 des émetteurs de l'habitation : o les pompes à chaleur basse température utilisées pour le chauffage par plancher chauffant. L'émetteur ayant une grande surface d'échange, la température nécessaire dépasse rarement 40°C et tourne en moyenne autour de 35°C. Ces pompes à chaleur fonctionnent sur de faibles 30 différentiels température de condensation/ température d'évaporation. les pompes à chaleur moyenne température utilisées sur les ventiloconvecteurs et les radiateurs basse température avec des températures d'eau de l'ordre de 40 à 55°C. Ces pompes à chaleur fonctionnent sur des différentiels température de condensation/ température d'évaporation 35 moyens. 3033631 4 o les pompes à chaleur haute température fonctionnant sur des radiateurs ou pour la préparation de l'eau chaude sanitaire avec des températures d'eau de l'ordre de 55 à 80°C. Ces pompes à chaleur fonctionnent sur de forts différentiels température de condensation/ température 5 d'évaporation. La conception de pompes à chaleur basse température ne présente pas de difficulté particulière. Il en est tout autrement pour une pompe à chaleur destinée à la haute température. En effet, comme vu supra, l'augmentation de la pression de condensation entraîne une diminution de la puissance, de la performance, une 10 augmentation du taux de compression et de la température de refoulement. Ceci limite la température d'évaporation possible. Pour pallier à ces difficultés il existe différentes technologies, les plus répandues sont entre autres : les systèmes cascades ou encore les systèmes avec injection totale ou partielle. Les systèmes cascades utilisent schématiquement plusieurs pompes 15 à chaleur (étage) en série, chaque étage fonctionnant avec un réfrigérant identique ou différent. Ces systèmes peuvent atteindre des températures de 80°C voire au dessus pour des températures d'évaporation de -20°C, cela en fonction du nombre d'étages et des réfrigérants utilisés. Les performances de ces systèmes cascades sont bien supérieures à celles des systèmes simples étages et même des systèmes à injection notamment pour les 20 forts différentiels de température de condensation/ température d'évaporation. Lorsque ce différentiel devient moins important, ces systèmes conservent leurs performances mais sous condition d'un dimensionnement entre les cylindrées des compresseurs bien définis. Ils restent néanmoins moins adaptés que les systèmes « simple étage » pour les faibles différentiels pour des raisons développées ci-après. Un autre inconvénient de ces 25 systèmes est leur coût élevé ; c'est la raison pour laquelle le nombre d'étages reste en pratique limité à deux. Un système cascade bi-étagé classique est composé de deux pompes à chaleur en série reliées entre elles par un échangeur intermédiaire ou évapo-condenseur. Dans ces systèmes, la chaleur fournie à l'habitation est la somme de la chaleur extraite de la source 30 froide et d'une partie du travail fourni par chaque compresseur. Les systèmes avec injection totale ou partielle, n'ont qu'un seul circuit et un seul réfrigérant, ils sont composés de deux (ou plusieurs) étages de compression avec un refroidissement intermédiaire des gaz compressés en même temps qu'un sous refroidissement du liquide condensé. 35 L'intérêt majeur de ces systèmes est de permettre de réduire les températures de refoulement pour les fonctionnements avec un fort différentiel de température de condensation! température d'évaporation et d'améliorer le COP par rapport à un système 3033631 traditionnel. En effet, les taux de compression de chaque étage de compression étant bien inférieurs à celui d'un système simple étage, leur température de refoulement et notamment celle du compresseur du deuxième étage en contact avec la source chaude sera plus faible. De plus, le rendement isentropique de chacun des étages de 5 compression, lié encore une fois au taux de compression, sera plus élevé entraînant un rendement du système plus important. Comme vu, les performances des systèmes bi-étagés restent moins intéressantes que celles des systèmes simple étage pour la faible différentielle température de condensation/température d'évaporation. Deux raisons expliquent cette perte de 10 performance : le rendement isentropique des compresseurs et le dimensionnement entre les deux compresseurs. Les rendements isentropiques sont optimums pour des taux de compression entre 2.5 et 3.5, ils chutent de façon importante au dessus de ces valeurs et de façon plus faible en deçà. Lors des fonctionnements à faible différentiel de température de condensation/ température d'évaporation les compresseurs travaillent 15 en dessous de ces taux. On peut ajouter un autre phénomène impactant la puissance et le COP des pompes à chaleur: le givrage de l'échangeur fonctionnant avec l'air extérieur comme source froide (ou le givrage de l'échangeur fonctionnant avec l'air du procès pour les refroidisseurs industriels). Le givre est de la vapeur condensée puis cristallisée sur 20 l'évaporateur. Cette vapeur d'eau provient de l'air circulant sur l'échangeur servant d'évaporateur. Plus l'écart entre la température de l'air et le réfrigérant (le pincement) est grand, plus le givre se formera rapidement. Sur un évaporateur le givre joue le rôle d'isolant thermique ; le coefficient d'échange de la chaleur de l'échangeur se dégrade, le volume de vapeur résultant de l'ébullition du fluide frigorigène diminue et la pression 25 d'évaporation baisse. Ce, jusqu'à ce que l'augmentation de la différence de température entre le réfrigérant et l'air compense la baisse du coefficient d'échange. La pression d'évaporation baissant, le rendement du cycle thermodynamique se dégrade. Il faut donc dégivrer l'évaporateur. Sur les systèmes réversibles à évaporateur et condenseur uniques, le dégivrage est assuré par inversion de cycle comme pour passer en mode de 30 refroidissement; mais ici le but est d'apporter, grâce au gaz chaud, la chaleur nécessaire pour faire fondre le givre. Ce type de dégivrage est très efficace, le temps nécessaire au dégivrage est faible, la fusion du givre est homogène sur toute la surface de l'échangeur. La consommation électrique que ce procédé induit est par ailleurs faible et n'impacte que faiblement le rendement saisonnier. Ce procédé nécessite l'usage d'évaporateur à 35 détente sèche pour permettre l'inversion de cycle sur les systèmes réversibles à évaporateur et condenseur uniques. Comparativement à des évaporateurs à alimentation noyé, les coefficients d'échange de la chaleur sont moins bons, donc pour une même puissance échangée, le pincement est plus grand et la température d'évaporation est plus basse ce qui dégrade le rendement du cycle thermodynamique. Par contre, les dispositifs 3033631 6 d'échange par mode d'évaporation noyé ne peuvent pas être dégivrés par inversion simple du cycle thermodynamique. Ils peuvent être dégivrés par gaz chaud mais les dispositifs nécessaires sont complexes et nécessitent plusieurs évaporateurs sur le même circuit, des systèmes de vannes, clapets et automatismes : on ne peut pas dans ce cas 5 parler de dégivrage par inversion de cycle thermodynamique. Un dernier phénomène impactant la puissance et le COP des pompes à chaleur et système de refroidissement est la présence d'huile en circulation avec le fluide frigorigène. Cette dernière, nécessaire mécaniquement à certains types de compresseurs, nuit aux échanges thermiques en dégradant aussi les coefficients 10 d'échanges. Au vu des différentes technologies et de leurs limites, la présente invention a pour objet de proposer un dispositif thermodynamique réversible de transfert de chaleur à haute performance énergétique alliant les avantages des systèmes simple étage et biétagés, tout en résolvant les problèmes posés par l'utilisation simultanée ou pas, 15 d'évaporateurs noyés, de l'inversion de cycle et de réservoir ou d'échangeur intermédiaire à injection partielle ou totale. Exposé de l'invention: Pour faciliter la compréhension de cet exposé, le dispositif d'échange de chaleur (7) sera arbitrairement choisi comme étant du côté utile d'une 20 pompe à chaleur (par exemple l'échangeur du côté de distribution d'eau de chauffage ou de climatisation d'une habitation). En mode chaud (FIG : 1), ce dispositif réchauffe l'eau du circuit de chauffage de l'habitation et en mode froid (FIG: 2) ce même dispositif d'échange de chaleur (7) refroidit l'eau du circuit pour rafraichir l'habitation. L'autre dispositif d'échange (6) de la machine sera donc situé du côté de la source gratuite (par 25 exemple l'air extérieur à l'habitation. Donc, dispositif thermodynamique de transfert de chaleur par compression de vapeur (mono ou multi-étagé) et changement de phase, réversible, à haut rendement, suivant l'invention, comporte un circuit de fluide frigorigène réalisé en tuyauteries et sur lequel sont insérés entre autres : deux étages de compression (1) et (2). Entre ces deux 30 étages de compression, est inséré un dispositif à moyenne pression (abrégée M.P. dans le diagramme enthalpique) à injection totale (5) appelé couramment « flash tank », ce dispositif est conçu pour mélanger les gaz chauds en provenance de l'étage de compression (1) avec le mélange diphasique en provenance du dispositif de condensation (7) détendu à la moyenne pression (M.P.) via le dispositif de détente (9) en mode chaud 35 (FIG :1) ou dispositif de condensation (6) via le dispositif de détente (8) en mode froid (FIG :2). Ce dispositif est aussi conçu pour assurer les mélanges et échanges thermiques entre les différentes phases, qui permettront de produire des gaz saturés et du liquide 3033631 7 sous refroidi. Il assure aussi la séparation des phases liquides et gazeuses résultantes afin que le deuxième étage de compression (2) n'aspire que des gaz saturés et que les dispositifs de détente (9) en mode chaud (FIG: 1) ou (8) en mode froid (FIG : 2) ne soient alimentés qu'en phase liquide. Ce dispositif « flash tank » (5), tout en remplissant les 5 fonctions précédemment expliquées, selon l'invention, permet de travailler à sens unique du côté de sa phase gazeuse tout en pouvant travailler dans les deux sens de circulation du côté de sa phase liquide. Le deuxième étage de compression refoule à la haute pression (abrégée H.P. dans le diagramme enthalpique) dans un dispositif d'inversion de cycle (4) permettant de diriger les gaz chauds à haute pression (HP) vers le dispositif 10 d'échange thermique (7) en mode chaud (FIG :1) ou vers le dispositif d'échange thermique (6) en mode froid (FIG :2). Le dispositif d'échange thermique recevant ces gaz chauds fait office de condenseur : les gaz chauds sont désurchauffés, condensés, sous refroidis et stockés dans un volume tampon avant d'être dirigés vers le dispositif de mélange à pression intermédiaire (5) via le dispositif de détente (9) en mode chaud 15 (FIG :1) ou (8) en mode froid (FIG : 2). Durant cette transformation , le réfrigérant cède de la chaleur au milieu circulant dans l'échangeur (l'eau du circuit de chauffage d'une habitation en mode chaud (FIG :1) ou l'air extérieur en mode froid (FIG: 2) par exemple). Un dispositif de contrôle de niveau (13) maintient le niveau de mélange diphasique constant dans le dispositif de mélange intermédiaire (5) en agissant sur le degré 20 d'ouverture du dispositifs de détente (9) en mode chaud (FIG : 1) ou (8) en mode froid (FIG : 2). Le liquide sous-refroidi sortant du réservoir (5) est dirigé via une conduite vers le dispositif de détente (8) en mode chaud (FIG :1) ou (9) en mode froid (FIG : 2). Il est détendu à la basse pression (abrégée L.P. dans le diagramme enthalpique) et est admis dans le dispositif d'échange thermique (6) en mode chaud (FIG: 1) ou (7) en mode froid 25 (FIG : 2). Le mélange diphasique résultant de la détente est introduit dans l'échangeur thermique où il s'évapore grâce à l'apport d'énergie en provenance du milieu circulant sur l'évaporateur (l'eau du circuit de climatisation d'une habitation en mode froid (FIG :2) ou l'air extérieur en mode chaud (FIG: 1) par exemple). Un dispositif de contrôle de niveau (11) en mode chaud (FIG: 1) ou (12) en mode froid (FIG : 2) maintient le niveau 30 de mélange diphasique constant dans l'évaporateur (6) en mode chaud (FIG: 1) ou (7) en mode froid (FIG : 2) en agissant sur le degré d'ouverture du dispositif de détente (8) en mode chaud (FIG: 1) ou (9) en mode froid (FIG: 2). Le niveau de mélange diphasique est maintenu au dessus de la surface d'échange afin d'assurer le noyage de celle-ci et d'obtenir des performances d'échanges thermiques optimum. Le dispositif d'évaporation 35 assure aussi la séparation de la phase gazeuse et de la phase liquide afin que seules les vapeurs saturées résultantes de la vaporisation soient aspirées par le premier étage de compression via la deuxième voie de la vanne d'inversion de cycle (4). Un dispositif de détente (10) permet de by-passer le réservoir (5) lors des inversions de cycle afin d'accélérer un dégivrage et de sécuriser l'étage de compression (2) afin qu'il n'aspire pas de liquide lors de cette phase transitoire ou afin d'améliorer la performance d'ensemble 3033631 8 du dispositif thermodynamique de transfert de chaleur comme s'il fonctionnait avec un seul étage de compression quand les conditions des sources y sont favorables. Dans ce cas, le dispositif thermodynamique de transfert de chaleur fonctionne avec les dispositifs de détente (8) et (9) fermés et le dispositif de détente (10) contrôlé par le dispositif de 5 contrôle de niveau (11) en mode Chaud (FIG :1) ou par le dispositif de contrôle de niveau (12) en mode Froid (FIG :2). Le dispositif d'échange intermédiaire (5) ne recevant plus de mélange diphasique, les gaz chauds en provenance de l'étage compression (1) ne font que transiter par le réservoir (5) puis sont ré-aspirés par l'étage de compression (2). L'ensemble fonctionne ainsi comme un seul étage de compression, la température des 10 gaz refoulés par l'étage de compression (2) s'élève, ce qui peut être intéressant pour augmenter la température du milieu à chauffer ou pour augmenter l'efficacité d'un dégivrage et diminuer donc le temps nécessaire pour celui-ci. La réversibilité du dispositif thermodynamique de transfert de chaleur réversible à haute performance énergétique est obtenue grâce à la réversibilité du dispositif intermédiaire 15 (5) tel que décrit auparavant. Elle est aussi assurée grâce à l'utilisation de dispositif de détente (8) (9) (10) permettant une détente contrôlée dans un sens de passage ou dans l'autre ou permettant la circulation libre du réfrigérant avec un minimum de perte de charge ou en empêchant la circulation du réfrigérant dans un sens ou dans l'autre. Les dispositifs d'échange de chaleur avec les milieux des sources, selon l'invention, 20 permettent aussi cette réversibilité grâce à leur capacité à fonctionner alternativement en condenseur ou en évaporateur noyé. Le dispositif fonctionnant en condenseur (FIG: 10), les vapeurs chaudes à haute pression entrent dans un premier volume situé en point haut qui permet de diminuer la vitesse des gaz de par son dimensionnement et de répartir les vapeurs dans les différents canaux du dispositif d'échange thermique, il a 25 alors fonction de répartiteur. Ce premier volume est muni d'un dispositif de régulation de niveau qui n'est pas actif en mode condenseur. Les vapeurs circulent dans les canaux d'échange thermique. Au début de cette circulation, elles se désurchauffent (leur température diminue) puis elles se condensent (leur température reste constante tant que sont présents des vapeurs et du liquide), puis le liquide est sous-refroidi (sa 30 température diminue) s'accumule dans un deuxième volume en point bas où il est stocké. Ce volume a alors fonction de bouteille accumulatrice: comme la machine peut fonctionner à différent régime de température, les densités de vapeur circulant aux différents endroits du circuit peuvent varier. Dans ce cas, plus ou moins de liquide est stocké dans cette partie du circuit. De même, ce volume tampon est important car les 35 échangeurs du dispositif thermodynamique de transfert de chaleur peuvent être de toutes sortes (tubes et calandres, à plaques, micro-canaux ou toute autre technologie). Surtout ils peuvent être de 2 types différents sur une même machine : dans ce cas, suivant que la machine fonctionnera en mode chaud ou froid, le tampon à stocker dans le volume faisant fonction de bouteille accumulatrice, varie surtout en fonction de la 3033631 9 quantité de réfrigérant qui est nécessaire à l'évaporateur noyé (suivant sa technologie) pour fonctionner correctement. Le dispositif d'échange thermique, de préférence à contre courant, permet au fluide frigorigène d'échanger de la chaleur avec le milieu à chauffer, tout au long de sa transformation de vapeur à liquide. On constate que le sens 5 de circulation du fluide frigorigène est du haut vers le bas lorsque le dispositif d'échange a fonction de condenseur. Le liquide passe ensuite dans un diffuseur (par exemple une tuyauterie percée d'une multitude de trous) qui n'a pas de fonction particulière quand l'échangeur est en mode chaud pour alimenter le dispositif de détente qui le suit sur le circuit. Le même dispositif d'échange thermique fonctionne aussi en évaporateur (FIG : 10 10) : Le mélange liquide et vapeur à basse pression (B.P.) provenant du dispositif de détente le précédent est conduit dans le volume en point bas de l'échangeur de chaleur au travers du distributeur qui permet une répartition homogène des vapeurs et liquides dans les différents canaux. Le mélange parcourt les canaux de l'échangeur où le liquide s'évapore grâce à l'apport de chaleur du milieu circulant sur l'échangeur thermique. Les 15 canaux débouchent dans le volume en point haut, dimensionné et conçu pour assurer la séparation de la phase liquide et gazeuse et pour éviter l'entraînement de liquide. Ce même volume est équipé d'un contrôleur de niveau qui assure que l'échangeur est bien noyé, en admettant plus ou moins de réfrigérant via l'organe de détente précédent le dispositif d'échange thermique. Les vapeurs saturées produites sont aspirées par le 20 dispositif de compression via la vanne d'inversion de cycle (4) Ce dispositif d'échange thermique selon l'invention permet de travailler en évaporateur noyé de réfrigérant, ce qui optimise le rendement énergétique en permettant au dispositif de compression d'aspirer des vapeurs saturées, en augmentant le rendement de l'échange thermique entre le milieu et le réfrigérant (augmentation des coefficients 25 d'échanges en mode diphasique sur toute la surface d'échange) et en réduisant le pincement moyen (température entre l'air et le réfrigérant dans ce cas) et il est aussi réversible simplement et peut donc travailler en condenseur : les gaz chauds arrivent par le volume haut et la gravité oblige les condensats à s'accumuler dans le volume bas. En inversant les sens de circulation du réfrigérant, et en faisant arriver le mélange diphasique 30 par le bas, la gravité participe à la séparation des phases liquides et gazeuses, le liquide restant en partie basse et les vapeurs s'échappant en partie haute. Les évaporateurs refroidissant de l'air subissent le phénomène de givrage lorsque les conditions atmosphériques le permettent. Il en résulte une dégradation des coefficients d'échanges voir un dysfonctionnement de la machine si le givre n'est pas traité. Le fait de 35 travailler en évaporateur noyé retarde la formation de givre et augmente ainsi le rendement saisonnier. Il faut néanmoins lancer un cycle de dégivrage régulièrement afin de fondre le givre. Le fait que cet évaporateur noyé soit réversible, il suffit d'inverser simplement le cycle de fonctionnement du système et de se servir de l'échangeur comme condenseur pour faire fondre ce givre. 3033631 10 En mode chaud (FIG :1), le dispositif d'inversion de cycle (4) est en position pour transférer les gaz chauds (H.P.) vers le dispositif d'échange (7) et pour que le premier étage de compression (1) aspire les vapeurs en provenance du dispositif d'échange (6). Le dispositif de détente (9) est contrôlé par le dispositif de maintien de niveau (13) alors que 5 le dispositif de maintien de niveau (11) contrôle le dispositif de détente (8). Lorsque la machine passe en mode froid ou dégivrage (FIG :2) , le dispositif d'inversion de cycle (4) bascule et dirige les gaz chauds (H.P.) vers le dispositif d'échange (6) et fait en sorte que le premier étage de compression (1) aspire les vapeurs en provenance du dispositif d'échange (7). Le dispositif de maintien de niveau (13) prend le contrôle du dispositif de 10 détente (8). Lorsque le dispositif de détente (10) est utilisé pour « court-circuiter » le dispositif de mélange intermédiaire (5), les dispositifs de détente (8) et (9) sont fermés et le dispositif de détente (10) est contrôlé par le dispositif de maintien de niveau (11) en mode chaud (FIG: 1) ou par le dispositif de maintien de niveau (12) en mode froid (FIG: 2) 15 En option, un échangeur (non réversible) peut être intégré entre le refoulement de l'étage de compression (2) et le dispositif d'inversion de cycle (4) pour assurer par exemple le chauffage d'eau chaude sanitaire quel que soit le mode de fonctionnement de l'ensemble (mode froid ou mode chaud). Une autre option est d'ajouter un dispositif d'échange thermique alimenté à partir du 20 dispositif intermédiaire (5), en mode noyé par gravité ou noyé par circulation forcé. Les vapeurs produites et le liquide éventuellement excédentaire retournent au dispositif intermédiaire (5) pour y être séparés. Les vapeurs produites sont ré-aspirées par l'étage de compression (2). Ce genre de dispositif peut servir par exemple au refroidissement des moteurs, des cartes électroniques ou autres parties internes ou externes à la machine 25 quel que soit le mode de fonctionnement de l'ensemble (mode froid ou mode chaud). Exemple de modes de réalisation : Les dispositifs de compression peuvent être réalisés de différentes manières : Avec deux étages de compression séparés sous la forme de deux compresseurs indépendants (ou de plusieurs compresseurs en parallèle pour chaque étage 30 de compression). - Avec un seul compresseur possédant un port d'aspiration intermédiaire (ou de plusieurs compresseurs de ce type montés en parallèle). - Avec un seul compresseur dit « compresseur compound » où deux étages de compression possédant chacun une aspiration et un refoulement, sont 35 entrainés par un même moteur (ou de plusieurs compresseurs de ce type montés en parallèle). 3033631 11 Toutes les technologies de compresseurs peuvent être utilisées, par exempte: compresseurs à pistons, à spires, à palettes, à turbine axiale ou radiale ou tout autre technologie. Les dispositifs pouvant fonctionner sans huile sont particulièrement adaptés pour éviter l'accumulation d'huile par distillation dans les échangeurs. Les compresseurs 5 fonctionnant avec de l'huile et entraînant la circulation d'huile avec le réfrigérant peuvent aussi être utilisé (FIG :5 en mode chaud et FIG :6 en mode froid). llsuffit d'ajouter au circuit des dispositifs de séparation d'huile (14) et/ou de distillation ou de décantation (16) (17) ainsi que des dispositifs de réintégration vers les dispositifs de compression de l'huile collectée (15). 10 Comme décrit supra, le dispositif thermodynamique de transfert de chaleur par compression de vapeur et changement de phase, réversible, à haut rendement est susceptible de fonctionner avec deux étages de compression ou plus mais aussi avec un seul étage de compression grâce au dispositif de détente (10) qui court-circuite le dispositif de mélange intermédiaire (5). Il peut donc aussi être réalisé avec un seul étage 15 de compression quand l'application et l'éloignement plus faible des températures de sources le permettent (FIG :3 en mode chaud avec compresseur sans huile ; FIG :4 en mode froid avec compresseur sans huile et FIG :7 en mode chaud avec compresseur entraînant de l'huile et dispositif de séparation, distillation ou décantation et réintégration d'huile ; FIG :8 en mode froid avec compresseur entraînant de l'huile et 20 dispositif de séparation, distillation ou décantation et réintégration d'huile). Ce dispositif thermodynamique de transfert de chaleur par compression de vapeur et changement de phase, réversible, à haut rendement peut être réalisé d'une manière mono-bloc où toutes les fonctions sont regroupées dans un même ensemble. Il peut aussi être construit sous forme multi-bloc où les différentes fonctions sont scindées en 25 différents sous-ensembles reliés entre eux par des tuyauteries et câbleries. Ce mode de construction est mieux connu sous le nom de « split système ». Il peut être aussi réalisé avec plusieurs échangeurs réversibles en parallèle pour pouvoir par exemple chauffer ou refroidir un ou plusieurs locaux et produire de l'eau chaude sanitaire. Le dispositif d'échange et de mélange intermédiaire (5) des schémas FIG 1 et F1G 2 est 30 détaillé pour l'exemple dans les schémas FIG 13 et FIG 14. Ce dispositif assure le mélange et les échanges thermiques entre les vapeurs chaudes provenant du premier étage de compression (1) dans les schémas FIG 13 et FIG 14, et le mélange diphasique (8) du schéma FIG 13 et (9) du schéma FIG 14 provenant de la détente du liquide condensé de la haute pression à la moyenne pression. Ce dispositif doit assurer les échanges 35 thermiques, le mélange des différentes phases mais il doit aussi assurer la séparation des phases vapeurs et liquide qui en résultent, pour que la phase de vapeur pure puisse être ré-aspirée par le deuxième étage de compression (2) et la phase liquide sous refroidie puisse être évacuée par une conduite pour alimenter le dispositif de détente qui alimente 3033631 12 l'échangeur de chaleur suivant (9) de FIG 13 et (8) de FIG 14. Un dispositif de contrôle de niveau contrôle le dispositif de détente situé en amont (8) de FIG 13 et (9) de FIG 14, pour admettre la juste quantité de réfrigérant pour maintenir le niveau constant dans ce dispositif d'échange et de mélange intermédiaire (5). Que le réfrigérant circule de (8) 5 vers (9) ou de (9) vers (8), le dispositif d'échange et de mélange intermédiaire (5) a la même utilisation, il est donc réversible. Il est réalisé dans cet exemple FIG 13 et FIG 14 sous forme d'un réservoir dont le volume supérieur (au dessus du niveau de réfrigérant liquide) a la fonction de séparateur de liquide : il est dimensionné pour réduire les vitesses de gaz et éviter ainsi que du liquide soit entrainé par l'aspiration de l'étage de 10 compression (2) qui lui est connecté en partie supérieure. Des dispositifs de séparation, tel que de la paille de fer ou des chicanes ou tout autre dispositif, peuvent être ajoutés pour améliorer la fonction de séparation. Dans cet exemple de réalisation, la partie inférieure en dessous du niveau de liquide est séparée en trois volumes. Dans le volume du milieu, arrivent, sous une grille servant de diffuseur, via une conduite, les gaz chauds 15 du premier étage de compression (1). Dans un des réservoirs contigus, arrive, sous une grille servant de diffuseur, le mélange diphasique provenant de la détente à la moyenne pression du liquide condensé à la haute pression en (8) pour la F1G13 et en (9) pour la FIG (9). Le mélange diphasique remplit ce volume, la phase gazeuse est séparée au niveau de sa surface libre pour être aspirée en (2). Le liquide tombe par débordement dans le 20 réservoir central où arrivent les gaz chauds du premier étage de compression (1). Le mélange provoque une évaporation d'une partie du liquide et le refroidissement des gaz chauds en provenance du premier étage de compression. La phase gazeuse est séparée au niveau de sa surface libre pour être aspirée en (2) ; le liquide restant s'accumule et finit par déborder dans le dernier réservoir où il est séparé des dernières bulles de gaz 25 encore potentiellement présentes, avant d'être évacué par une conduite pour alimenter le dispositif de détente qui alimente le dispositif d'échange de chaleur suivant : (9) de FIG 13 ou (8) de FIG 14. Un dispositif de contrôle de niveau contrôle le dispositif de détente situé en amont (8) de FIG 13 ou (9) de FIG 14, pour admettre la juste quantité de réfrigérant afin de maintenir le niveau constant dans ce dispositif d'échange et de 30 mélange intermédiaire (5). Que le réfrigérant circule de (8) vers (9) ou de (9) vers (8), ce dispositif d'échange et de mélange intermédiaire (5) tel que présenté dans cet exemple de mode de réalisation a la même utilisation : il est donc réversible. Ce type de dispositif est à injection totale car tout le liquide en provenance du condenseur haute pression est détendu à la moyenne pression. Bien que moins efficace, le dispositif peut aussi être 35 réalisé suivant le principe d'injection partielle. Dans l'exemple de réalisation des FIG15 et FIG 16, une partie seulement du liquide en provenance du condenseur haute pression est détendu à la moyenne pression par un dispositif de détente (30). Le reste du liquide traverse un dispositif d'échange thermique et vient se refroidir au travers de celui-ci avec le liquide détendu à la moyenne pression présent sur l'autre face de l'échangeur dans le 40 réservoir (5). Un dispositif de contrôle de niveau (28) maintient le niveau de liquide 3033631 13 suffisant pour noyer la surfacer de l'échangeur en admettant la juste quantité de réfrigérant via le dispositif de détente (30). Dans cet exemple de réalisation de dispositif à injection partielle, la partie supérieure du réservoir fonctionne de la même manière que le dispositif à injection totale en séparateur phase liquide et gazeuse, la phase gazeuse 5 étant ré-aspirée en partie haute par le deuxième étage de compression (2). De même, les gaz chauds en provenance de l'étage de compression (1) sont mélangés au liquide submergeant l'échangeur, et sont sous-refroidis par le liquide qui s'évapore. Les dispositifs d'échanges thermiques entre les milieux des sources et le réfrigérant à l'intérieur du circuit peuvent être réalisés de différentes manières. Voici quelques 10 exemples : FIG10 : Ce dispositif d'échange thermique se compose d'un volume « haut>) (23) et d'un volume « bas »(24) reliés entre eux par des canaux de fluide réfrigérant utilisés comme échangeur de la chaleur (29) avec le milieu gazeux ( de l'air par exemple) ou liquide ( de l'eau ou de l'eau glycolée par exemple) ou même solide (de la glace par exemple) . 15 Toutes les technologies d'échangeur peuvent servir à construire cet échangeur : tube et calandre, tube et ailettes, micro-canaux, échangeurs à plaques ou autres. La nouveauté de ce type de dispositif d'échange thermique est qu'il peut fonctionner d'une manière réversible alternativement en évaporateur noyé ou en condenseur sans aucune autre action que le changement du sens d'écoulement du fluide frigorigène. La 20 gravité faisant que le liquide reste dans sa partie basse et les vapeurs dans sa partie haute, qu'il soit utilisé en évaporateur ou en condenseur. Lorsqu'il fonctionne en condenseur : les vapeurs chaudes et hautes pressions arrivent dans le volume « haut » (21), en amont dans ce mode de fonctionnement, dimensionné pour réduire les vitesses, minimiser les pertes de charges et ainsi assurer une bonne répartition du flux entre les 25 différents canaux de la partie échange thermique (29). Les vapeurs sont ensuite désurchauffées dans la première partie des canaux, puis se condensent dans la deuxième partie. La troisième partie des canaux assurant le sous-refroidissement du liquide produit. Ce liquide est ensuite recueilli dans le volume bas (24), en amont dans ce mode de fonctionnement, qui est utilisé comme réservoir tampon de liquide. Le liquide est ensuite 30 évacué par la conduite (22) en aval. Le contrôleur de niveau (25) situé sur le collecteur haut n'est pas actif. Lorsque ce même dispositif d'échange thermique fonctionne en évaporateur noyé, le mélange diphasique basse pression en provenance du détendeur entre dans le volume « bas » (27) où il est distribué entre les différents canaux (un diffuseur peut être utilisé pour améliorer cette diffusion, dans ce cas il n'a pas de 35 fonction particulière quand l'échangeur est utilisé en condenseur), le mélange inonde les canaux de la partie utilisée en échangeur thermique (29), jusque dans le volume « haut »(23) ,en aval de l'échangeur thermique, équipé d'un contrôleur de niveau (25) qui règle le débit du détendeur précèdent l'ensemble sur le circuit, afin de maintenir stable le 3033631 14 niveau de réfrigérant au dessus des canaux et permettre de maintenir un espace suffisant dans le volume haut (23) dimensionné et conçu pour qu'il puisse être utilisé en tant que séparateur de liquide. Le réfrigérant s'évapore au contact des parois des canaux de l'échangeur (29), liquides et vapeurs sont séparés dans le volume haut (28). Les vapeurs 5 sont aspirées à la sortie (28) par le premier étage de compression. Le fonctionnement est optimum quand les deux fluides en échange (le réfrigérant et le fluide du milieu de la source) sont à contrecourant mais le fonctionnement à co-courant fonctionne aussi. Dans cet exemple, les volumes « haut> et « bas » sont réalisés en sur-dimensionnant les collecteurs des différents canaux de l'échangeur. Ceci peut être par exemple réalisé en 10 sur-dimensionnant les collecteurs « haut » et « bas » côté fluide frigorigène d'un échangeur à plaque. Quand la configuration ne permet pas d'avoir un système compact où toutes les fonctionnalités précitées peuvent être regroupées, on peut alors, comme dans l'exemple de réalisation (FIG 11), séparer par une conduite les volumes « haut »et « bas » de la partie échangeur thermique elle même. Le fonctionnement reste alors 15 identique à celui de la FIG 10. Les volumes amont et aval de l'échangeur peuvent même être réalisés en sur-dimensionnant les tuyauteries qui le relient au reste de l'installation. Il faut néanmoins concevoir ces tuyauteries pour qu'elles aient le même usage que les volumes que nous avons décrit juste avant. La figure 12 présente une variante de réalisation plus complexe où le seul changement de sens de circulation du réfrigérant ne 20 suffit plus à assurer la réversibilité : un dispositif de pompage(27) a été ajouté pour forcer la circulation du liquide lors du fonctionnement en mode évaporateur. Ceci améliore les échanges thermiques et peut s'avérer nécessaire en cas d'usage d'échangeurs à forte perte de charge. Le réfrigérant diphasique est admis dans un volume « bas »(24), où il est séparé de la phase gazeuse qui est conduite par une tuyauterie et une vanne ouverte 25 (26) jusqu'au volume « haut »(23), le liquide pompé circule dans l'échangeur (29), s'évapore en partie. Vapeurs et liquides excédentaires arrivent dans un volume haut ou liquide et vapeur sont séparés. Les vapeurs sont aspirées en partie haute du volume (28) le liquide retourne vers le volume bas par une autre conduite elle aussi équipée d'une vanne ouverte (31) en mode évaporateur. En mode condenseur, les 2 vannes (21) et (31) 30 sont fermées et le fonctionnement est identique à celui des FIG 10 ou FIG 11; les gaz chauds entrent dans le volume « haut » (21). Comme les vannes (26) et (31) sont fermées, les gaz chauds sont forcés de circuler dans l'échangeur (29) et les condensats sont collectés dans le volume bas (24) avant de sortir en (22). Les dispositifs de détentes réversibles, (8) (9) (10) de la FIG 1 par exemple, peuvent être 35 réalisés avec des détendeurs à double sens de circulation avec fonction de fermeture complète et d'ouverture complète ou tout autre technique permettant ce résultat. Le dispositif d'inversion de cycle (4) est communément réalisé avec une vanne à 4 voies mais il peut aussi être réalisé avec un ensemble de vanne automatisé. 3033631 15 Les exemples de mode de réalisation ci-dessus et les exemples de dispositifs thermodynamiques de transfert de chaleur par compression de vapeur (mono ou mufti-étagée) et changement de phase, réversible, à haut rendement ne doivent pas être considérés comme exhaustifs ou limitatifs de l'invention qui englobe, au contraire, toutes 5 les variantes de forme et de configuration qui sont à la portée de l'homme du métier ou du novice. Exemple d'application industriel : Ce dispositif thermodynamique de transfert de chaleur par compression de vapeur (mono ou multi-étagé) et changement de phase, réversible, à haut rendement est susceptible d'être appliqué : en chauffage de locaux dont les 10 émetteurs nécessitent une température d'eau élevée, la réversibilité est ici nécessaire pour assurer le dégivrage de l'échangeur sur l'air extérieur. Il peut aussi être appliqué pour le chauffage d'eau chaude sanitaire ou industrielle. Il est aussi particulièrement adapté pour des processus industriels de refroidissement à très basse température tel que surgélateur ou refroidisseur rapide ou la réversibilité est nécessaire pour le dégivrage 15 des échangeurs du processus refroidissement. En résumé, il est particulièrement adapté pour tout processus nécessitant un cycle thermodynamique de transfert de chaleur par compression de vapeur (mono ou multi-étagé) et changement de phase, réversible et performant énergétiquement, fonctionnant sous de forts écarts de température entre les sources. De plus, il s'adapte très bien quand la différence entre les sources diminue, afin 20 de conserver un rendement énergétique élevé. 25 30 REVENDICATIONS1/Dispositifs d'échange de chaleur entre du réfrigérant et un milieu source, caractérisés en ce que ces dispositifs sont composés d'au moins un volume haut (23) et d'au moins un volume bas (24) encadrant au moins un dispositif d'échange thermique (29). Ils sont réversibles du côté réfrigérant, et peuvent fonctionner en évaporateur noyé ou en condenseur en cumulant au moins tout ou partie des fonctionnalités suivantes : répartiteur, désurchauffeur, condenseur, sous refroidisseur, volume tampon lorsqu'ils donnent de la chaleur au milieu et distributeur, évaporateur noyé de réfrigérant, séparateur de phase liquide et vapeur lorsqu'ils prennent de la chaleur au milieu. Le procédé de changement de leur utilisation en condenseur ou en évaporateur est basé sur le changement de sens de circulation du réfrigérant les traversant (de haut en bas pour un dispositif de condensation et de bas en haut pour un dispositif d'évaporation) et sur la gravité qui maintient toujours le liquide au bas du dispositif qu'il fonctionne en évaporateur ou en condenseur. 2/ Dispositifs d'échange intermédiaire, à injection totale, ou à injection partielle, caractérisés en ce que le sens du réfrigérant liquide qui les traverse est réversible et que, quel que soit ce sens de circulation du liquide, ces dispositifs d'échange intermédiaire assurent au moins les échanges thermiques entre les gaz chauds en provenance du premier étage de compression (1) et le mélange diphasique résultat de la détente à la moyenne pression du liquide condensé à la haute pression , ainsi que la séparation des phases liquides et vapeur afin que cette dernière puisse être ré-aspirée par l'étage de compression (2) 3/ Dispositifs thermodynamiques de transfert de chaleur par compression de vapeur mono ou multi-étagée et changement de phase, caractérisés en ce qu'ils sont réversibles et utilisent, pour ce faire, au moins un ou des échangeurs de chaleur réversibles suivant la revendication n°1 4/ Dispositifs thermodynamiques de transfert de chaleur par compression de vapeur multi-étagée et changement de phase, caractérisés en ce qu'ils sont réversibles et utilisent pour ce faire, au moins un ou plusieurs dispositifs d'échange intermédiaire réversibles suivant la revendication n°2 5/ Dispositifs thermodynamiques de transfert de chaleur par compression de vapeur multi-étagée et changement de phase suivant la revendication n°4, caractérisés en ce qu'ils sont réversibles et qu'ils utilisent, au moins un dispositif de court circuit du dispositif suivant revendication n°2, pour pouvoir fonctionner comme avec un seul étage de compression. 3033631 17 6/ Dispositifs thermodynamiques de transfert de chaleur par compression de vapeur mono étagée et changement de phase, caractérisés en ce qu'ils sont réversibles et utilisent, au moins, pour ce faire un ou des échangeurs de chaleur réversibles suivant la revendication n°1 5 7/ Dispositifs thermodynamiques de transfert de chaleur par compression de vapeur (mono ou mufti-étagée) et changement de phase, suivant les revendications n°3 ou n°4 ou n°5 ou n°6, caractérisés en ce qu'ils sont réversibles et utilisent, au moins, pour ce faire un ou des compresseurs n'entraînant pas d'huile avec le réfrigérant dans le circuit, pour s'affranchir des problèmes de distillation d'huile dans les échangeurs noyés et de io retour d'huile en découlant. 8/ Dispositifs thermodynamiques de transfert de chaleur par compression de vapeur (mono ou multi-étagée) et changement de phase, suivant les revendications n°3 ou n°4 ou n°5 ou n°6, caractérisés en ce qu'ils sont réversibles et utilisent, au moins, des dispositifs de séparation, distillation ou décantation et de retour d'huile aux 15 compresseurs quand ceux-ci entraînent de l'huile avec le réfrigérant dans le circuit. 9/ Tous dispositifs thermodynamiques de transfert de chaleur par compression de vapeur, mono ou multi-étagée et changement de phase caractérisés en ce qu'ils utilisent au moins les dispositifs suivant la revendication n°1 et/ou la revendication n°2 et/ou la revendication n° 20 10/ Dispositifs d'échange de chaleur caractérisés en ce qu'ils sont alimentés par gravité ou circulation forcée, à partir du dispositif suivant la revendication n°2 pour refroidir des dispositifs tel que des moteurs ou dispositifs électroniques ou tout autres dispositifs. Les vapeurs résultant de ce refroidissement et l'éventuel liquide excédentaire retournent au dispositif suivant la revendication n°2. Un ou plusieurs dispositifs refroidisseurs de ce type 25 peuvent être alimentés en parallèle à partir du dispositif suivant la revendication n°2