Brevet FR3119012A1 — publié le 20220722

L’invention concerne une pompe à chaleur pouvant être utilisée pour le réchauffement, le refroidissent tel que la réfrigération ou la congélation, ou les deux en même temps, notamment dans des applications avec de gros écarts de température. On peut par exemple envisager son utilisation pour la réfrigération/congélation domestique ou industrielle, le chauffage domestique ou industriel, l'amélioration du rendement des machines thermodynamiques. La pompe à chaleur évacue de la chaleur à travers un premier échangeur 6 vers une source chaude, et qui en capte à travers un deuxième échangeur 4 à partir d’une source froide. La circulation du fluide de travail est assurée par un compresseur 2, et la détente est réalisée à travers un moteur 1 qui diminue l'énergie nécessaire au fonctionnement du compresseur 2. Un troisième échangeur 5 préchauffe et pré-refroidit le fluide de travail par échange réciproque de calories. Figure pour l’abrégé : Figure 1 Pompe à chaleur L'objet de la présente invention est une pompe à chaleur, qui va utiliser un échangeur interne pour permettre de travailler avec des sources de chaleur dont l'écart de température peut être important tout en cherchant à optimiser le rendement thermodynamique de cette pompe à chaleur en récupérant l'énergie de la détente dans un moteur. L’invention concerne ainsi une pompe à chaleur pouvant être utilisée pour le réchauffement, le refroidissent tel que la réfrigération ou la congélation, ou les deux en même temps, notamment dans des applications avec de gros écarts de température. On peut par exemple envisager son utilisation pour la réfrigération/congélation domestique ou industrielle, le chauffage domestique ou industriel, l'amélioration du rendement des machines thermodynamiques. Etat de la technique La plupart des pompes à chaleur travaillent sur la base d'un cycle établi au début du 20ème siècle à savoir : compression, condensation, détente, évaporation. Ce sont les pompes à chaleurs à fluide frigorigène à changement de phase. On peut aussi réaliser une pompe à chaleur en suivant un cycle de Stirling. En effet, le cycle Stirling étant réversible, en entraînant un monteur de Stirling en rotation, il peut se transformer en pompe à chaleur. Cet effet est utilisé uniquement sur des installations industrielles. Connu pour être utilisé en camping, la pompe à absorption présente l'avantage de pouvoir se passer d'électricité pour fonctionner. Son fonctionnement est assuré par la combustion d'un gaz ou la présence d'une source de chaleur. Enfin on peut aussi citer les pompe à chaleur réalisée sur la base de l'effet pelletier. On utilise des modules pelletier pour transformer une source de courant en différence de température. Il existe des technologies un peu plus originales sur la base d'effets thermo-acoustique ou thermomagnétique. On trouvera dans le document FR7524604 la présence d'un échangeur interne sur la . Toutefois, on constate que la détente est réalisée au travers d'un détendeur. Dans le document FR3040089, on trouve un exemple de détente à travers une turbine qui permet de récupérer l'énergie de la détente. Cette machine est caractérisée par la présence d'une turbine de compression, d'un échangeur, et d'une turbine de détente en série mais sans échangeur interne. Ainsi, l’invention a pour objet de résoudre notamment les problèmes précités, en proposant une pompe à chaleur qui permette de travailler avec des sources de chaleur dont l'écart de température peut être important, tout en cherchant à optimiser le rendement thermodynamique de cette pompe à chaleur. L’invention a donc pour objet une pompe à chaleur destinée à transférer des calories issue d’une source froide vers une source chaude par l’intermédiaire d’un fluide de travail circulant dans un circuit hydraulique, la pompe comprenant : - un compresseur apte à faire circuler le fluide de travail dans le circuit hydraulique entre la source chaude et la source froide et présentant une entrée et une sortie permettant au fluide de travail de traverser ledit compresseur, - un premier moteur et un deuxième moteur aptes à entraîner le compresseur, le premier moteur présentant une entrée et une sortie permettant au fluide de travail de traverser ledit moteur, - un premier échangeur coté source chaude apte à libérer des calories transportées par le fluide de travail vers la source chaude, et présentant une entrée et une sortie permettant au fluide de travail de traverser ledit premier échangeur, ladite entrée du premier échangeur étant reliée à la sortie du compresseur et une sortie, - un deuxième échangeur coté source froide apte à capter des calories transportées par le fluide de travail depuis la source froide, et présentant une entrée et une sortie permettant au fluide de travail de traverser ledit deuxième échangeur, ladite entrée du deuxième échangeur étant reliée à la sortie du premier moteur, - un troisième échangeur présentant d’une part une première entrée et une deuxième entrée, et d’autre part une première sortie et une deuxième sortie, permettant au fluide de travail de traverser ledit troisième échangeur, ladite première entrée du troisième échangeur étant reliée à la sortie du premier échangeur, ladite deuxième entrée du troisième échangeur étant reliée à la sortie du deuxième échangeur, ladite première sortie du troisième échangeur étant reliée à l’entrée du compresseur, et ladite deuxième sortie du troisième échangeur étant reliée à l’entrée du premier moteur. Suivant certains modes de réalisation, la pompe à chaleur comprend en outre une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : - la pompe à chaleur comprend au moins un circuit hydraulique de captation de calorie, et le premier moteur comprend un quatrième échangeur présentant une entrée et une sortie permettant à un fluide de travail circulant dans le circuit hydraulique de captation de traverser ledit quatrième échangeur ; - le ou au moins un des circuits hydrauliques de captation est configuré pour capter des calories au niveau de la source froide ; - le ou au moins un des circuits hydrauliques de captation est configuré pour rejeter des calories vers la source froide ; - le ou au moins un des circuits hydrauliques de captation est configuré pour capter des calories au niveau du premier échangeur. Ainsi, la pompe à chaleur selon l‘invention permet de travailler avec des sources de chaleur dont l'écart de température peut être important, tout en optimisant le rendement thermodynamique. En effet, compte tenu de la présence du troisième échangeur à l'intérieur de la pompe à chaleur, il est possible de travailler avec des écarts de température importants. En passant à travers ce troisième échangeur, le fluide chaud se libère d'une grande partie de sa chaleur au profit du fluide froid qui profite de cet apport de chaleur. Au lieu d'utiliser un détendeur, la pompe à chaleur utilise le premier moteur (ou turbine) pour détendre le fluide de travail, ce qui permet de réduire la consommation de la pompe à chaleur. Ce premier moteur permet de réduire sensiblement le travail que doit fournir le deuxième moteur, ou moteur extérieur, pour entraîner le compresseur. Une détente proche d'une détente isotherme produisant plus d'énergie qu'une détente adiabatique, on cherche à apporter de la chaleur lors de cette détente. On peut envisager de récupérer de la chaleur issue de la source froide, éventuellement de la chaleur captée au niveau du premier échangeur, ou issue de toute autre source de chaleur. Cette pompe à chaleur pourra être utilisée dans les conditions habituelles d’utilisation d’une pompe à chaleur classique, mais pourra aussi être utilisée lorsque l'on doit travailler avec de gros écarts de température. Figures Les caractéristiques et avantages de l’invention apparaitront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d’exemple, et non limitative, en référence aux figures annexées suivantes : - : représentation schématique d’un premier exemple de pompe à chaleur selon l’invention ; - : représentation schématique d’un deuxième exemple de pompe à chaleur selon l’invention ; - : représentation schématique d’un troisième exemple de pompe à chaleur selon l’invention. Exposé de modes de réalisation Comme déjà présenté plus haut, l'objet de la présente invention est une pompe à chaleur qui peut être utilisée pour le réchauffement, le refroidissent tel que la réfrigération ou la congélation, ou les deux en même temps. La pompe à chaleur peut être utilisée avec de gros écarts de température. On peut envisager son utilisation pour la réfrigération/congélation domestique ou industrielle, le chauffage domestique ou industriel, l'amélioration du rendement des machines thermodynamiques. Comme on le voit sur les figures, la pompe à chaleur comprend un compresseur 2 apte à faire circuler le fluide de travail dans le circuit hydraulique entre la source chaude et la source froide. Le compresseur 2 présente une entrée et une sortie permettant au fluide de travail de le traverser. La pompe à chaleur comprend également un premier moteur 1 et un deuxième moteur 3, aptes à entraîner le compresseur 2. Le premier moteur 1 présente une entrée et une sortie permettant au fluide de travail de traverser le traverser. La pompe à chaleur comprend également un premier échangeur 6, un deuxième échangeur 4 et un troisième échangeur 5. Le premier échangeur 6, coté source chaude, est apte à libérer des calories transportées par le fluide de travail dans la source chaude. Il présente une entrée et une sortie permettant au fluide de travail de le traverser. L’entrée du premier échangeur 6 est reliée à la sortie du compresseur 2. Le deuxième échangeur 4, coté source froide, est apte à capter des calories transportées par le fluide de travail depuis la source froide. Il présente une entrée et une sortie permettant au fluide de travail de le traverser. L’entrée du deuxième échangeur 4 est reliée à la sortie du premier moteur 1. Le troisième échangeur 5 présente d’une part une première entrée b et une deuxième entrée c, et d’autre part une première sortie a et une deuxième sortie d, permettant au fluide de travail de le traverser. La première entrée b du troisième échangeur 5 est reliée à la sortie du premier échangeur 6. La deuxième entrée c du troisième échangeur 5 est reliée à la sortie du deuxième échangeur 4. La première sortie a du troisième échangeur 5 est reliée à l’entrée du compresseur 2. Enfin, la deuxième sortie d du troisième échangeur 5 est reliée à l’entrée du premier moteur 1. Le fonctionnement du premier moteur 1 est assuré par la circulation du fluide de travail et la différence de pression générée par le compresseur 2. Son fonctionnement permet de diminuer l'énergie que doit fournir le deuxième moteur 3 tout en assurant la détente du fluide de travail. Le compresseur 2 comprime le fluide de travail venant de la première sortie a du troisième échangeur 5. Le deuxième moteur 3 fournit l'énergie nécessaire au fonctionnement du compresseur 2, diminuée de la part d'énergie que fournit le premier moteur 1. Le deuxième échangeur 4 permet de capter de la chaleur coté basse température (source froide). La pompe à chaleur est caractérisée par l'utilisation du troisième échangeur 5 interne, qui permet de réaliser des échanges de chaleur même avec de gros écarts de température. Le premier échangeur 6 permet quant à lui d’évacuer de la chaleur coté haute température (source chaude). Le deuxième moteur 3 entraîne donc le compresseur 2. Lors de la montée en pression, le fluide s'échauffe. Suite à sa compression, le fluide peut libérer de la chaleur à travers le premier échangeur 6. Ce fluide est caractérisé par sa haute pression et sa haute température. A la sortie du premier échangeur 6, le fluide, encore à haute température, va libérer une partie de sa chaleur dans le troisième échangeur 5, entre sa première entrée b et sa deuxième sortie d, et ainsi préchauffer le fluide qui sort du deuxième échangeur 4, en perdant une grande part de sa chaleur. La température du fluide à la sortie de l’échangeur 6 doit être supérieure à la température du fluide à l'entrée du compresseur 2. Le troisième échangeur 5 peut être par exemple du type échangeur à plaques. A la deuxième sortie d du troisième échangeur 5, le fluide qui a libéré une partie de sa chaleur est envoyé à haute pression dans le premier moteur 1. Le fluide est détendu lors du passage à travers ce premier moteur 1. L'énergie produite par cette détente est récupérée pour entraîner le compresseur 2 via ce premier moteur 1. Ceci permet de réduire sensiblement l'énergie nécessaire au fonctionnement du compresseur 2 que doit fournir le deuxième moteur 3. Le fluide est alors refroidit et à basse pression. A la sortie du moteur 1, le fluide détendu est donc plus froid et passe à travers le deuxième échangeur 4. Ce deuxième échangeur 4 peut alors capter des calories et refroidir la source froide. Dans ce but, le fluide à la sortie du deuxième échangeur 4 doit présenter une température inférieure à la température de ce fluide à l'entrée du premier moteur 1. Le fluide froid va alors passer à travers le troisième échangeur 5, par la deuxième entrée c et la première sortie a, pour ressortir préchauffé mais à basse pression et être dirigé vers le compresseur 2, en captant à la sortie du premier échangeur 6. Idéalement, on s'arrange pour que la compression par le compresseur 2 se fasse de manière adiabatique (sans échange de chaleur avec le milieu extérieur). Concernant la détente se produisant dans le premier moteur 1, il est préférable qu’elle se rapproche d'une détente isotherme (sans être une détente isotherme) afin d'améliorer le rendement du premier moteur 1. Pour ce faire, il est nécessaire d’apporter des calories au fluide circulant dans premier moteur 1. Cela peut se faire soit en captant des calories issues de la source froide, comme c’est le cas dans l’exemple de la , soit en captant des calories issue de la source chaude, comme c’est le cas dans l’exemple de la , soit encore en captant de la chaleur disponible par ailleurs. Ainsi donc, comme représenté sur la , avec la pompe à chaleur de l’invention, la source froide (à gauche) est refroidie via le deuxième échangeur 4, et la source chaude (à droite) est réchauffée via le premier échangeur 6. Sur le même axe, le deuxième moteur 3, et le premier moteur 1 fonctionnant à partir de la détente du fluide de travail, entraînent le compresseur 2. Le deuxième échangeur 4 permet de capter des calories sur la source froide, et le premier échangeur 6 permet de libérer des calories vers la source chaude. Le troisième échangeur 5 assure quant à lui en partie la montée en température du fluide de travail froid en même temps que la descente en température du fluide de travail chaud. Sur la , il est rajouté un circuit hydraulique de captation de calories 7, dans le but d’améliorer le rendement du premier moteur 1 de détente. Afin de réaliser une détente dont les caractéristiques sont plus proche d'une détente isotherme, un apport de calories est réalisé via un quatrième échangeur 9 intégré au premier moteur 1. Ce quatrième échangeur 9 présente une entrée et une sortie permettant à un fluide de travail circulant dans le circuit hydraulique de captation 7 de traverser ce quatrième échangeur 9. Le circuit 7 est configuré pour capter des calories issues de la source froide. Le rejet des calories peut par exemple se faire vers la source froide. Sur la , il est rajouté un autre circuit 8 pour améliorer le rendement du premier moteur 1 de détente. Afin de réaliser une détente dont les caractéristiques sont plus proche d'une détente isotherme, un apport de calories est réalisé via le quatrième échangeur 9 intégré au premier moteur 1. Ici encore, le quatrième échangeur 9 présente une entrée et une sortie permettant à un fluide de travail circulant dans le circuit hydraulique de captation 8 de traverser ce quatrième échangeur 9. La présente description est donnée à titre d’exemple et n’est pas limitative de l’invention. Pompe à chaleur destinée à transférer des calories d’une source froide vers une source chaude par l’intermédiaire d’un fluide de travail circulant dans un circuit hydraulique, ladite pompe comprenant : - un compresseur (2) apte à faire circuler le fluide de travail dans le circuit hydraulique entre la source chaude et la source froide et présentant une entrée et une sortie permettant au fluide de travail de traverser ledit compresseur (2), - un premier moteur (1) et un deuxième moteur (3) aptes à entraîner le compresseur (2), le premier moteur (1) présentant une entrée et une sortie permettant au fluide de travail de traverser ledit moteur (1), - un premier échangeur (6) coté source chaude apte à libérer des calories transportées par le fluide de travail vers la source chaude, et présentant une entrée et une sortie permettant au fluide de travail de traverser ledit premier échangeur (6), ladite entrée du premier échangeur (6) étant reliée à la sortie du compresseur (2) et une sortie, - un deuxième échangeur (4) coté source froide apte à capter des calories transportées par le fluide de travail depuis la source froide, et présentant une entrée et une sortie permettant au fluide de travail de traverser ledit deuxième échangeur (4), ladite entrée du deuxième échangeur (4) étant reliée à la sortie du premier moteur (1) , - un troisième échangeur (5) présentant d’une part une première entrée (b) et une deuxième entrée (c), et d’autre part une première sortie (a) et une deuxième sortie (d), permettant au fluide de travail de traverser ledit troisième échangeur (5), ladite première entrée (b) du troisième échangeur (5) étant reliée à la sortie du premier échangeur (6), ladite deuxième entrée (c) du troisième échangeur (5) étant reliée à la sortie du deuxième échangeur (4), ladite première sortie (a) du troisième échangeur (5) étant reliée à l’entrée du compresseur (2), et ladite deuxième sortie (d) du troisième échangeur (5) étant reliée à l’entrée du premier moteur (1). Pompe à chaleur selon la revendication 1, caractérisée en ce qu’elle comprend au moins un circuit hydraulique de captation de calorie (7, 8), et en ce que le premier moteur (1) comprend un quatrième échangeur (9) présentant une entrée et une sortie permettant à un fluide de travail circulant dans le circuit hydraulique de captation (7, 8) de traverser ledit quatrième échangeur (9). Pompe à chaleur selon la revendication 2, caractérisée en ce que le ou au moins un des circuits hydrauliques de captation (7) est configuré pour capter des calories au niveau de la source froide. Pompe à chaleur selon la revendication 3, caractérisée en ce que le ou au moins un des circuits hydrauliques de captation (7) est configuré pour rejeter des calories vers la source froide. Pompe à chaleur selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que le ou au moins un des circuits hydrauliques de captation (8) est configuré pour capter des calories au niveau du premier échangeur (6).