Brevet FR3070478A1 — publié le 20190301

La présente invention concerne un dispositif de production frigorifique à partir d'énergie thermique, dispositif utilisable comme tous les cycles frigorifiques aussi bien en production de froid par évaporation à basse pression ou en production de chaleur par condensation à moyenne pression. L'invention est nommée « chaudière thermo-frigorifique ». Les deux principes les plus usités pour la production frigorifique sont : 1) Les cycles à compression qui permettent d'abaisser la température d'un milieu froid et d'augmenter la température d'un milieu chaud au moyen d'une dépense d'énergie mécanique utilisée pour la compression du fluide frigorigène. Ce cycle est le plus courant et le plus appliqué en production de froid ou de chaud (pompe à chaleur). Ce cycle présente l'avantage de la simplicité et de la large étendue de possibilité, le désavantage de consommer une énergie mécanique (électricité par exemple). 2) Les cycles à absorption qui utilisent de l'énergie thermique au lieu de l'énergie mécanique. Ces cycles nécessitent des couples fluides spécifiques, l'un ayant le rôle de fluide frigorifique l'autre d'absorbant pour compresser le fluide frigorifique par le phénomène chimique de l'absorption. Ces couples de fluides sont souvent l'eau (absorbant) et l'ammoniac (fluide frigorifique) ou le bromure de lithium (absorbant) et l'eau (fluide frigorifique). Ce cycle à l'avantage d'utiliser une énergie thermique tout particulièrement lorsque cette énergie thermique est disponible en grande quantité à un coût réduit (récupération de chaleur par exemple), le désavantage d'une plage d'utilisation limitée et d'une exploitation délicate nécessitant du personnel de conduite spécialisé et donc des applications essentiellement sur des puissances importantes. La présente invention est une machine frigorifique à thermo-compression permettant de coupler les intérêts de ces deux grandes familles de machines : simplicité constructive et d'utilisation, utilisation d'une énergie thermique avec une bonne efficacité énergétique. 2 Il couple un cycle thermodynamique frigorifique à compression classique comme exposé en 1) et un cycle thermodynamique de Hirn (ou de Rankine lorsque surchauffe). Ce dispositif peut fonctionner avec tous types de fluides frigorifiques dans des plages de pression température adaptées (eau, R134a, CO2 etc...) aussi bien en production frigorifique qu'en pompe à chaleur. Pour suivre la description de ce cycle combiné tritherme objet de la présente invention le lecteur est invité à se reporter à la figure 1 : V Figure 1: le débit de fluide frigorifique total Q lorsqu'il est liquide (condensé) en sortie du condenseur C (ou est évacué de la chaleur : réchauffage d'un milieu à réchauffer de « moyenne » température) est : o pour la partie du débit QCR : le liquide est détendu par le détendeur D puis évaporé dans l'évaporateur E (absorption de chaleur : évaporation à « basse » température pour le refroidissement d'un milieu à refroidir) les vapeurs étant ensuite compressées par un compresseur CP, ce qui nécessite une énergie mécanique Em. Cette part QCR du débit Q réalise un cycle frigorifique « récepteur » (sens anti horaire), c'est-à-dire un cycle consommant de l'énergie mécanique. o pour l'autre partie du débit Qcm : le liquide est pompé par la pompe P vers le vaporiseur V ou il est évaporé par l'absorption d'une chaleur externe (absorption de chaleur : consommation d'une énergie thermique pour évaporer à « haute » température), ces vapeurs étant ensuite détendues dans la turbine T en produisant l'énergie mécanique Em nécessaire à la compression du débit QcR du cycle récepteur. La turbine T étant couplée soit mécaniquement soit électriquement au compresseur P. Cette part Qcm du débit Q réalise un cycle cycle « moteur)> (sens horaire), c'est-à-dire un cycle produisant de l'énergie mécanique. 3 o Le refoulement du compresseur C et de la turbine T sont à égalité de pression et se rejoignent dans le condenseur C ou l'ensemble du débit Q = QCR + QCM est condensé. %( Figure 2: le diagramme de Mollier de la figure 2 permet d'exprimer graphiquement les évolutions thermodynamiques dans chaque phase. Ici avec surchauffe de la vapeur produite par le vaporiseur soit un cycle de Rankine. o Le point C) est le refoulement commun de l'ensemble turbine/compresseur T/CP, soit l'entrée vapeur du condenseur C: vapeur à pression et température intermédiaire du cycle tritherme, débit total Q. o Le point 0 est la sortie liquide sous refroidit du condenseur C: liquide à pression et température intermédiaire du cycle tritherme, débit total Q. o Le point 0 est la sortie liquide (ou vapeur à titre faible) du détendeur D, et donc l'entrée dans l'évaporateur E: liquide ou vapeur à titre faible à basse pression et basse température, débit partiel QCR. o Le point 0 est la sortie vapeur basse pression de l'évaporateur E et donc l'aspiration du compresseur CP : vapeur saturée ou surchauffée à basse pression et basse température, débit partiel QCR. o Le point 0 est le refoulement de la pompe P, et l'entrée dans le vaporiseur V: liquide à haute pression et température intermédiaire, débit partiel Qcm. o Le point 0 est la sortie du vaporiseur V, donc l'entrée da la turbine T: vapeur saturée ou surchauffée à haute pression et température élevée, débit partiel Qcm. Nous avons les relations suivantes : 4 - Energie mécanique consommée par la compression du cycle récepteur : (H1 -H4) X QCR - Energie mécanique à produire par la détente du cycle moteur : (H6-H1) x Qcm Avec : (H1-H4) X QCR = (H6-E11) x Qcm Soit : Qcm / QCR = (E11-F14)/(F16411) Par ailleurs le débit total dans le condenseur est : Q = Qcm + QCR On a donc : Q = QCR x (H6-H4)/(H6-H1) = Qcmx (H6-H4)/(H1-H4) L'invention est énergétiquement adaptée, donc économiquement très intéressante : - Pour la production de chaleur basses température à partir d'énergie 105 thermique provenant d'une chaudière ou de tout autre générateur ou récupérateur de chaleur, en faisant fonctionner le système en PAC (pompe à chaleur) : serres maraichères ou horticoles, logement collectifs chauffage par le sol, et d'une manière générale tous les usages de chaleur à basse température dans les industries, les transports et les bâtiments. 110 Pour une énergie thermique consommée de Qcm x (H6-H5) = Qcm x (H6-H2) à un potentiel « haut », le système, par son « pompage » de la chaleur du milieu extérieur pour une valeur de : QCR X (114-H3), permet de distribuer une énergie plus importante à un potentiel thermique « intermédiaire)) égale à: Q (H1-H2) = Qcm(H6-H2) +QcR(H4-H3) 115 avec QcR= Qcm(H6-H1)/(H1-H4) 100 5 (H6-H4) Q (H1-H2) = Qcm(H1-H4) (H1 - H2) Soit une énergie produite disponible égale à l'énergie consommée augmentée du ratio des différences entHalpiques 120 (détente+compression)/(compression), ratio par définition toujours supérieur à 1. L'efficacité du cycle sera énergie produite/énergie consommée : (H6-H4) (H1-H2) Eff PAC = (H1-H4) (H6-H2) 125 Cette « chaudière thermo-frigorifique » utilisée en pompe à chaleur est donc en mesure de délivrer plus d'énergie thermique à potentiel « intermédiaire » que d'énergie thermique à potentiel « haut » qu'elle ne consomme, par son pompage de la chaleur à « bas » potentiel du milieu extérieur. 130 - Pour la production de froid lorsque l'énergie thermique est disponible avec un potentiel « haut » : réjection thermique des moteurs de propulsion sur les navires réemployée pour la climatisation ou les frigos vivre et/ou frigos fret, récupération d'énergie thermique sur les fumées de chaudières ou le sous 135 refroidissement de condensats pour la production d'eau réfrigérée dans l'industrie, ou tout simplement chaudière ou récupération de chaleur utilisée pour du refroidissement (climatisation, réfrigération, etc..) dans n'importe quelle activité. Pour une énergie consommée de Qcm x (H6-H5) = Qcm x (H6-H2) le système 140 produira une énergie frigorifique de OCR x (H4-H3) = QCR x (H4-H2) soit (H6-H1) Qcm (H1-H4) (H4 - H2) L'efficacité du cycle sera énergie produite/énergie consommée: 6 Eff MF = (H6-H1) (H4-H2) (H1-H4) (H6-H2) 145 évoluant selon le ratio des différences entHalpiques (détente)/(compression). La Figure 3 expose un PID (Process and Instrument Diagram) dans un exemple d'application utilisant le fluide frigorigène R134a. Dans ce cycle 2 turbos compresseurs sont installés : 150 o en parallèle pour la détente de 24 à 12 bars o en série pour la compression de 3 bars à 12 bars Les points des cycles sur le diagramme de la Figure 3 sont les suivants : 155 0 Refoulement des turbocompresseurs 0 Sortie condenseur 0' Sortie sous refroidisseur 0 Entrée évaporateur 0 Sortie évaporateur entrée turbines 160 0 Refoulement pompe alimentaire ® Sortie vaporiseur (« chaudière ») 0' Sortie surchauffeur : H1 = 430 kJ/kg, 12 bars, 52°C : H2 = 270 kJ/kg, 12 bars, 48°C : H2' = 250 kJ/kg, 12 bars, 35°C : H3 = 250 kJ/kg, 3 bars, 0°C : H4 = 397 kJ/kg, 3 bars, 0°C : H5= 250kJ/kg, 24 bars, 35°C : H6 = 430 kJ/kg, 24 bars, 75°C : H6' = 455 kJ/kg, 24 bars, 90°C L'efficacité du cycle tritherme en production frigorifique est alors : 165 Eff MF = Puissance Froid/Puissance chaud consommée Eff MF = (H6/-H1) (H4-H2) = 0.54 (H1-H4) (H61-H21) Ce qui traduit qu'avec une dépense (ou une récupération) d'1 kWh à 105°C il est possible de produire 0.54 kWh de froid à +5°C. L'efficacité du cycle tritherme en pompe à chaleur est alors : 170 Eff PAC = Puissance Froid/Puissance chaud consommée 7 (H6'-H4) (H1-H2) = Eff PAC = 1.54 (H1-H4) (H61-H2f) Ce qui traduit qu'avec une dépense (ou une récupération) d'1 kWh à 105°C il est possible de produire 1.54 kWh de chaud à 45°C. La Figure 4 expose la possibilité d'utiliser une thermo compression étagée 175 avec utilisation d'un système venturi en lieu et place des turbo-compresseurs. Comme pour la figure 3, l'usage de batterie d'éjecteur en parallèle (vapeur motrice) / série (vapeur aspirée) permettant d'augmenter les possibilités en terme d'écart REVENDICATIONS1. Dispositif de production frigorifique qui couple un cycle thermodynamique frigorifique à compression récepteur classique et un cycle thermodynamique de Rankine moteur qui se caractérise par l'utilisation du travail moteur de la détente du fluide frigorifique vaporisé à pression élevé pour la compression du fluide frigorifique évaporé après sa détente à basse pression. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'utilisation pour le couplage entre l'énergie de détente produite par le cycle moteur et l'énergie de compression consommée par le cycle frigorifique est un ensemble « turbocompresseur,, (turbine de détente attelée à un compresseur). 3. Dispositif selon la revendication 1 qui se caractérise qu'il peut fonctionner avec tous types de fluides frigorifiques dans des plages de pression température adaptées (eau, R134a, CO2 etc...) aussi bien en production frigorifique qu'en pompe à chaleur.15